양자 역학이 기술 산업을 어떻게 변화시킬 것인가

리처드 파인만은曾說過, “만약 당신이 양자 역학을 이해한다고 생각한다면, 당신은 양자 역학을 이해하지 못한다는 것이다.” 그러나 이것은 우리가 시도해서는 안 된다는 것을 의미하지 않는다. 결국, 우리의 본능적인 호기심 없이 우리는 어디에 있을까?

미지의 힘을 이해하기 위해, 우리는 양자 물리학의 핵심 개념을 풀어보도록 하자 — 정확히 두 가지이다 (휘휘!). 이것은 다소 추상적이지만, 이것은 우리에게 좋다. 왜냐하면 당신이 노벨상을 수상한 이론 물리학자가 아니라도 무엇이 일어나는지 이해할 수 있기 때문이다. 그리고 무엇이 일어나는 것일까? 잘 살펴보자.

기초를 다지다

우리는 간단한 사고 실험으로 시작할 것이다. 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 당신에게密封된 박스 안에 있는 고양이를 상상하라고 한다. 지금까지 괜찮다. 이제 박스 안에 치명적인 물질을 담은 비알이 들어있다고 상상해 보라. 고양이는 어떻게 되었을까? 우리는 확실히 알 수 없다. 따라서 상황을 관찰할 때까지, 즉 박스를 열 때까지, 고양이는 죽은 상태와 살아있는 상태가 모두 가능하다. 또는 더 과학적인 용어로 표현하자면, 그것은 상태의 중첩이다. 이 유명한 사고 실험은 슈뢰딩거의 고양이 역설로 알려져 있으며, 양자 역학의 두 가지 주요 현상 중 하나를 완벽하게 설명한다.

중첩은 우리의 사랑하는 고양이와 마찬가지로, 입자는 관찰될 때까지 모든 가능한 상태에 존재한다는 것을 의미한다. 입자를 “관찰”하면 즉시 입자의 양자 특성이 파괴되고, 마침내 그것은 다시 고전 역학의 규칙에 따라 작동하게 된다.

이제事情은 더 복잡해지겠지만, 두려워하지 마라 — 심지어 아인슈타인도 이 아이디어에 놀랐었다. “거리에서의 괴상한 작용”으로 설명된 양자 얽힘은 입자 간의 연결이다 — 입자 간의 물리적 상호작용으로 인해 공유 상태(또는 중첩에 의한 상태가 없는 경우)가 발생한다.

양자 얽힘은 얽힌 입자 중 하나의 상태가 변경되면 다른 입자에서 즉시 예측 가능한 반응을 일으키는 것을 의미한다. 이를 이해하기 위해, 두 개의 얽힌 동전을 공중에 던져보자. 그런 다음 결과를 관찰해 보자. 첫 번째 동전이 앞면으로 떨어졌는가? 그렇다면 두 번째 동전의 측정 결과는 반드시 뒷면이어야 한다. 즉, 관찰될 때 얽힌 입자는 서로의 측정을 반대로 한다. 두려워할 필요는 없다 — 양자 얽힘은 아직 흔하지 않다. 아직은 그렇다.

가장 유력한 영웅

“이 모든 지식을 사용할 수 없다면 무슨 소용이 있나요?”, 당신은 물을 수도 있다. 당신의 질문이 무엇이든, 양자 컴퓨터는 답을 가지고 있을 것이다. 디지털 컴퓨터에서는 시스템이 처리 능력을 증가시키기 위해 비트가 필요하다. 따라서 처리 능력을 두 배로 증가시키려면 비트의 수를 두 배로 증가시켜야 한다. 그러나 양자 컴퓨터에서는 비트 대신 큐비트를 사용하여 처리 능력을 제공한다. 큐비트는 양자 정보의 기본 단위이다. 어떻게 하는가? 중첩된 큐비트는 동시에 여러 가능한 결과(또는 상태)를 처리할 수 있다. 이는 디지털 컴퓨터가一度에 하나의 계산만 처리할 수 있는 것과 다르다. 또한 양자 얽힘을 통해 양자 컴퓨터의 능력을指数적으로 증폭할 수 있다. 특히 전통적인 디지털 컴퓨터의 비트 효율성과 비교할 때 그렇다. 규모를 이해하기 위해, 각 큐비트가 제공하는 처리 능력의 엄청난 양을 생각해 보라. 그리고 이제 그것을 두 배로 늘려라.

완벽한 것은 없다

그러나 문제가 있다 — 심지어 가장 작은 진동과 온도 변화도, 즉 과학자들이 “노이즈”라고 부르는 것들은 양자 특성을 파괴하고 결국 완전히 사라지게 할 수 있다. 당신은 이것을 실시간으로 관찰할 수 없지만, 경험하게 될 것은 계산 오류이다. 양자 특성의衰退은 양자 물리학을 이용하는 기술의 가장 큰 장애물 중 하나이다.

이상적인 시나리오에서는 양자 처리기가 완전히 고립되어 있다. 이를 위해 과학자들은 특수한 냉장고, 즉 초저온 냉장고를 사용한다. 이러한 초저온 냉장고는 성간 공간보다 더 차가운데, 이는 우리의 양자 처리기가 거의 제로 저항으로 전기를 전달할 수 있게 한다. 이것은 초전도 상태로 알려져 있으며, 이는 양자 컴퓨터를 매우 효율적으로 만든다. 이상적인 시나리오에서는 그렇다.

새로운 가능성의 세계

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

그러나 가장 매혹적인 전망 중 하나는 양자 인공지능일 수 있다. 왜냐하면 양자 시스템은 여러 가능한 선택에 대한 확률을 계산하는 데 탁월하기 때문이다. 또한 오늘날의 시장에서 inteligent 소프트웨어에 연속적인 피드백을 제공하는 능력은 비할 수 없다. 추정된 영향은 측정할 수 없으며, 자동차 산업의 AI에서 의료 연구에 이르기까지 다양한 분야와 산업에 걸쳐 있다. 미국 항공 우주 기업 록히드 마틴은 양자 컴퓨터의 이점을 早く 인식하고, 자율 주행 소프트웨어 테스트에 양자 컴퓨터를 사용하고 있다. 메모를 해 두자.

양자 역학의 원리는 또한 보안 문제를 해결하는 데 사용된다. RSA 암호화, 즉 데이터 암호화의 가장 많이 사용되는 방법 중 하나는 매우 큰 소수점을 인수하는 어려움에 의존한다. 이는 전통적인 컴퓨터에서는 다중 인수 문제를 효과적으로 해결하지 못하기 때문이다. 그러나 양자 컴퓨터는 여러 결과를 동시에 계산할 수 있는 고유한 능력으로 인해 이러한 암호화를 쉽게 깨뜨릴 수 있다.

이론적으로, 양자 키 분배는 중첩 기반의 암호화 시스템을 통해 이를 해결한다. 민감한 정보를 친구에게 전달하려고 한다고 상상해 보자. 이를 위해 큐비트를 사용하여 암호화 키를 생성한 다음 광 케이블을 통해 수신자에게 전송한다. 만약 암호화된 큐비트가 제3자에 의해 관찰되었다면, 당신과 ваш 친구는 예기치 않은 오류로 인해 알림을 받게 될 것이다. 그러나 QKD의 이점을 최대화하려면 암호화 키가 항상 양자 특성을 유지해야 한다. 쉽게 말해, 말이다.

생각할거리

그것은 여기에 끝나지 않는다. 전 세계에서 가장 밝은 두뇌들은 끊임없이 양자 얽힘을 양자 통신의 방식으로 사용하려고 시도하고 있다. 지금까지 중국 연구진은 미추스 위성을 통해 745마일의 기록적인 거리를 두고 얽힌 광子の 쌍을 성공적으로 전송했다. 그것은 좋은 소식이다. 나쁜 소식은 1초에 전송되는 600만 개의 얽힌 광자 중 단 하나의 쌍만이 여행을 살아남았다(감사합니다, 양자 탈락). 이는 앞으로 사용할 수 있는 양자 네트워크의 종류를 설명하는 놀라운 업적이다.

양자 경주는 최근 퀀텀 시스템의 발전을 통해 새로운 돌파구를 이루었다. 네덜란드 델프트 기술大学의 연구 센터인 QuTech의 양자 시스템은 절대 영도보다 1도 높은 온도에서 작동한다(-273도 섭씨).

이러한 성과는 당신과 나에게는 중요하지 않을 수 있지만, 진실은 이러한 획기적인 연구가 내일의 기술에 한 걸음 더 다가가고 있다는 것이다. 그러나 하나는 변하지 않는다. 그것은 양자 역학의 힘을 성공적으로 이용하는 사람들이 세계의 나머지 부분에 대한 우위를 점할 것이라는 엄청난 현실이다. 당신은 어떻게 사용할 것이라고 생각하는가?