양자 역학이 기술 산업을 어떻게 변화시킬 것인가

Richard Feynman은曾經 말했습니다, “만약 당신이 양자 역학을 이해한다고 생각한다면, 당신은 양자 역학을 이해하지 못합니다.” 이러한 말은 사실일 수도 있지만, 우리가 시도하지 않아야 한다는 것을 의미하지는 않습니다. 우리의 본능적인 호기심 없이 우리는 어디에 있을까요?

양자 물리의 핵심 개념을 이해하기 위해, 우리는 두 가지 핵심 개념을 풀어보겠습니다. 이것은 모두 추상적인 개념이지만, 이것은 우리에게 좋습니다. 왜냐하면 당신은 노벨상을 수상한 이론 물리학자가 아니어도 양자 물리가 어떻게 작용하는지 이해할 수 있기 때문입니다. 그리고 무엇이 일어나고 있는 걸까요? 잘 살펴보겠습니다.

기초를 다지다

우리는 간단한 사고 실험으로 시작하겠습니다. 오스트리아 물리학자 Erwin Schrödinger는 당신에게密封된 박스 안에 있는 고양이를 상상하라고 말합니다. 지금까지는 좋습니다. 이제 박스 안에 치명적인 물질이 들어있는 비알을 넣었습니다. 고양이에게 무슨 일이 일어났을까요? 우리는 확실하게 알 수 없습니다. 따라서 상황이 관찰될 때까지, 즉 박스를 열 때까지, 고양이는 죽었고 살아있으며, 또는 더 과학적인 용어로 말하자면,それは 상태의 중첩입니다. 이러한 유명한 사고 실험은 Schrödinger의 고양이 역설로 알려져 있으며, 양자 역학의 두 가지 주요 현상 중 하나를 완벽하게 설명합니다.

중첩은 우리의 사랑하는 고양이와 마찬가지로, 입자는 관찰될 때까지 모든 가능한 상태에 존재한다는 것을 의미합니다. 입자를 “관찰”하면 즉시 입자의 양자 특성이 파괴되고, 가라, 다시 고전 역학의 규칙에 따라 작용합니다.

이제 상황은 더 복잡해지지만, 겁먹지 마세요 -甚至 아인슈타인도 이 아이디어에 놀랐습니다. 아인슈타인이 “원거리에서 일어나는 괴상한 작용”이라고 설명한 것처럼, 얽힘은 두 입자 사이의 연결입니다. 즉, 입자들의 상태(또는 중첩에 따르면 상태의 부재)를 공유하는 물리적 상호작용입니다.

얽힘은 한 입자의 상태가 변하면 다른 입자에서 즉시 예측 가능한 반응이 발생한다는 것을 의미합니다. 이를 이해하기 위해, 우리는 두 개의 얽힌 동전을 공중으로 던져보겠습니다. 그 후 결과를 관찰해 보겠습니다. 첫 번째 동전이 앞면으로 떨어졌나요? 그러면 남은 동전의 측정은 반드시 뒷면이어야 합니다. 즉, 관찰할 때 얽힌 입자는 서로의 측정을 반대합니다. 그러나 두려워할 필요는 없습니다. 얽힘은 아직 흔하지 않습니다. 아직은 그렇습니다.

LIKELY 영웅

“이 모든 지식을 사용할 수 없다면, 그것은 무슨 소용이 있나요?”라고 물으실 수도 있습니다. 당신의 질문이 무엇이든, 양자 컴퓨터가 답을 가지고 있을 것입니다. 디지털 컴퓨터에서는 시스템이 처리 능력을 증가시키기 위해 비트가 필요합니다. 따라서 처리 능력을 두 배로 늘리려면, 비트의 수를 두 배로 늘리면 됩니다. 이것은 양자 컴퓨터와는 전혀 다릅니다.

양자 컴퓨터는 양자 정보의 기본 단위인 큐비트를 사용하여, 심지어 세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터보다도 더 강력한 처리 능력을 제공합니다. 어떻게呢? 중첩된 큐비트는 여러 가능한 결과(또는 상태)를 동시에 다룰 수 있습니다. 반면 디지털 컴퓨터는 한 번에 하나의 계산만 수행할 수 있습니다. 또한, 얽힘을 통해 우리는 양자 컴퓨터의 능력을 기하급수적으로 증폭할 수 있습니다. 특히 전통적인 디지털 기계의 비트 효율성과 비교할 때 그렇습니다. 규모를 시각화하기 위해, 각 큐비트가 제공하는 엄청난 처리 능력을 고려하고, 이제 그것을 두 배로 늘려보세요.

아무것도 완벽하지 않다

그러나 잡음이라고 하는 微小한 진동과 온도 변화가 양자 특성을衰減시키고, 결국에는 완전히 사라지게 할 수 있습니다. 당신은 이것을 실시간으로 관찰할 수는 없지만, 당신이 경험하게 될 것은 계산 오류입니다. 양자 특성의衰減은 양자 물리학에 의존하는 기술의 가장 큰障害 중 하나입니다.

이상적인 시나리오에서, 양자 프로세서는 완전히 고립되어 있습니다. 이를 위해 과학자들은 특수한 냉장고, 즉 초저온 냉장고를 사용합니다. 이러한 초저온 냉장고는 성간 공간보다 더 차가운 온도에서 작동하며, 우리의 양자 프로세서가 거의 저항 없이 전기를 전导할 수 있도록 합니다. 이것을 초전도 상태라고 하며, 양자 컴퓨터를 매우 효율적으로 만듭니다. 결과적으로, 우리의 양자 프로세서는 디지털 프로세서가 사용하는 에너지의 한 조각만을 사용하며, 훨씬 더 많은 전력을 생성하고, 그 과정에서 훨씬 적은 열을 발생시킵니다. 이상적인 시나리오에서 그렇습니다.

새로운 가능성의 세계

기상 예측, 금융 및 분자 모델링, 입자 물리학… 양자 계산의 응용 가능성은 엄청나고 процicha합니다.

그러나 가장 매력적인 전망 중 하나는 양자 인공지능입니다. 왜냐하면 양자 시스템은 많은 가능한 선택에 대한 확률을 계산하는 데 탁월하기 때문입니다. 또한, 지능형 소프트웨어에 대한 지속적인 피드백을 제공하는 능력은 오늘날의 시장에서 비교할 수 없습니다. 추정된 영향은 측정할 수 없을 것입니다. 여러 분야와 산업에 걸쳐서 – 자동차 산업의 AI에서 의료 연구까지. 미국의 항공우주 제조업체인 록히드 마틴은 양자 컴퓨터의 이점을 빠르게 인식하고, 이를 사용하여 자율 주행 소프트웨어 테스트를 진행하고 있습니다. 메모를 해두세요.

양자 역학의 원리는 또한 사이버 보안의 문제를 해결하는 데 사용됩니다. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) 암호화, 즉 데이터 암호화의 세계 표준 방법은 (매우) 큰 소수를 인수분해하는 어려움에 의존합니다. 전통적인 컴퓨터에서는 다인자 문제를 해결하는 데 효과적이지 않기 때문에 이것이 작동할 수 있습니다. 그러나 양자 컴퓨터는 고유한 능력으로 인해 이러한 암호화를 쉽게 깨뜨릴 수 있습니다.

이론적으로, 양자 키 분배는 중첩 기반 암호화 시스템을 통해 이러한 문제를 해결합니다. 민감한 정보를 친구에게 전달하려는 경우, 큐비트를 사용하여 암호화 키를 생성한 다음, 광 케이블을 통해 수신자에게 전송합니다. 암호화된 큐비트가 제3자에 의해 관찰되었다면, 당신과 ваш 친구는 예상치 못한 오류로 인해 작동에 문제가 발생했다는 것을 알게 될 것입니다. 그러나 QKD의 이점을 최대화하려면, 암호화 키는 모든 시간에 양자 특성을 유지해야 합니다. 쉽지 않습니다.

생각할거리

그것은 거기서 끝나지 않습니다. 전 세계에서 가장 밝은 두뇌는 끊임없이 양자 통신의 모드로 작용하는 얽힘을 사용하려고 시도하고 있습니다. 지금까지 중국 연구진은 745마일의 기록적인 거리를 통해 Micius 위성을 통해 얽힌 광子的 쌍을 성공적으로 전송했습니다. 그것이 좋은 소식입니다. 나쁜 소식은, 매초 600만 개의 얽힌 광자가 전송된 가운데, 단 한 쌍의 광자만이 여행을 생존했습니다(감사합니다, 양자 decoherence). 이는 엄청난 업적이며, 이는 미래에 양자 네트워크를 보안하기 위해 사용할 수 있는 종류의 인프라를 설명합니다.

양자 경주는 최근 QuTech의 연구 센터에서 TU Delft에서重大한 발전을 이루었습니다. 네덜란드 – 그들의 양자 시스템은 절대 영도보다 약 1도 더 따뜻한 온도에서 작동합니다.

이러한 성과는 당신과 나에게는 중요하지 않을 수 있지만, 이러한 획기적인 연구는 우리를 내일의 기술에 한 걸음 더 다가가게 합니다. 그러나 변하지 않는 것은, 양자 역학의 힘을 성공적으로 활용하는 사람들이 다른 사람보다 우위를 점할 것이라는 엄혹한 현실입니다. 어떻게 사용할까요?