Hvordan kvantemekanikk vil endre teknologiindustrien

Richard Feynman sa en gang, “Hvis du tror du forstår kvantemekanikk, så forstår du ikke kvantemekanikk.” Det betyr ikke at vi ikke kan prøve. Etter all, hvor ville vi vært uten vår innfødt nysgjørhet?

For å forstå kraften i det ukjente, skal vi løse opp de viktigste konseptene bak kvantefysikk — to av dem, for å være nøyaktig (pust!). Det er ganske abstrakt, men det er god nyhet for oss, fordi du ikke trenger å være en nobelprisvinnende teoretisk fysiker for å forstå hva som skjer. Og hva skjer? La oss finne ut.

Å legge grunnarbeidet

Vi starter med en kort tankeeksperiment. Den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger (SDGR ) ønsker at du skal forestille deg en katt i en lukket boks. Så langt, så godt. Nå forestill deg en ampull som inneholder en dødelig substans som er plassert inne i boksen. Hva skjedde med katten? Vi kan ikke vite med sikkerhet. Derfor, inntil situasjonen observeres, dvs. vi åpner boksen, er katten både død og levende, eller i mer vitenskapelige termer, den er i en superposisjon av tilstander. Dette berømte tankeeksperimentet er kjent som Schrödingers katt-paradoks, og det forklarer perfekt ett av de to hovedfenomenene i kvantemekanikk.

Superposisjon dikterer at, like vår elskede katt, en partikkel eksisterer i alle mulige tilstander inntil den måles. “Observasjon” av partikkelen ødelegger umiddelbart dens kvanteeigenskaper, og voilà, den er igjen styrt av klassisk mekanikk.

Nå blir tingene mer kompliserte, men ikke la deg avskrekke — selv Einstein ble kastet tilbake av ideen. Beskrevet av mannen selv som “spøkelsesakt ved avstand”, er sammenfiltring en forbindelse mellom et par partikler — en fysisk interaksjon som resulterer i deres felles tilstand (eller mangel på det, hvis vi følger superposisjon).

Sammenfiltring dikterer at en endring i tilstanden til en sammenfiltret partikkel utløser en umiddelbar, forutsigbar reaksjon fra den gjenværende partikkelen. For å sette ting i perspektiv, la oss kaste to sammenfiltrede mynter i luften. Deretter la oss observere resultatet. Landet den første mynten på hodet? Da må målingen av den gjenværende mynten være halen. Med andre ord, når de observeres, motsier sammenfiltrede partikler hverandres målinger. Ingen grunn til å være redd, selv om sammenfiltring ikke er så vanlig. Ikke ennå, i hvert fall.

Den sannsynlige helten

“Hva er poenget med all denne kunnskapen hvis jeg ikke kan bruke den?”, kan du spørre. Uansett hva spørsmålet ditt er, er sjansen stor at en kvantecomputer har svaret. I en digital datamaskin trenger systemet biter for å øke prosesseringskraften. Derfor, for å doble prosesseringskraften, ville du enkelt doble antall biter — dette er ikke i det hele tatt likt i kvantecomputere.

En kvantecomputer bruker q-biter, den grunnleggende enheten for kvanteeinformasjon, for å gi prosesseringsmuligheter som ikke har noen motstykkelse, selv ikke i verdens mest kraftfulle superdatamaskiner. Hvordan? Superposisjons-q-biter kan samtidig håndtere en rekke mulige resultater (eller tilstander, for å være mer konsekvent med våre tidligere segmenter). I sammenligning kan en digital datamaskin bare håndtere en beregning om gangen. Videre, gjennom sammenfiltring, er vi i stand til å eksponentielt forsterke kraften til en kvantecomputer, særlig når vi sammenligner dette med effektiviteten til tradisjonelle biter i en digital maskin. For å visualisere skalaen, tenk på den enorme mengden prosesseringskraft hver q-bit tilbyr, og dobl den.

Ingenting er perfekt

Men det er en hake — selv de minste vibrasjonene og temperaturendringene, som vitenskapsmenn kalles “støy”, kan forårsake kvanteegenskaper å forfalle og til slutt forsvinne helt. Mens du ikke kan observere dette i sanntid, hva du vil oppleve, er en beregningsfeil. Forfallet av kvanteegenskaper kalles dekoherens, og det er ett av de største tilbakeslagene når det gjelder teknologi som avhenger av kvantemekanikk.

I et idealt scenario er en kvanteprosessor fullstendig isolert fra omgivelsene. For å gjøre dette, bruker vitenskapsmenn spesialiserte kjøleskap, kjent som kryogeniske kjøleskap. Disse kryogeniske kjøleskapene er kaldere enn interstellart rom, og de gjør at vår kvanteprosessor kan lede elektrisitet med praktisk talt ingen motstand. Dette kalles en superledende tilstand, og den gjør kvantecomputere ekstremt effektive. Som resultat, trenger vår kvanteprosessor en brøkdel av energien en digital prosessor ville brukt, og genererer eksponentielt mer kraft og betydelig mindre varme i prosessen. I et idealt scenario, altså.

En (ny) verden av muligheter

Værmelding, finansiell og molekylmodellering, partikkelfysikk… mulighetene for kvanteberegning er både enorme og lønnsomme.

Likevel er en av de mest forlokkende prospektene kanskje det om kvantekunstig intelligens. Dette er fordi kvantesystemer utmerker seg ved å beregne sannsynligheter for mange mulige valg — deres evne til å gi kontinuerlig tilbakemelding til intelligente programvarer er uten motstykkelse i dagens marked. Den estimerte effekten er umåtelig, og spenner over felt og industrier — fra kunstig intelligens i bilindustrien helt til medisinsk forskning. Lockheed Martin (LMT ), den amerikanske romfartsjorden, var rask til å innse fordelen, og leder allerede med sitt eksempel med en kvantecomputer, som de bruker til autopilotprogramvaretesting. Ta notater.

Prinsippene i kvantemekanikk brukes også til å løse problemer i sikkerhet. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) kryptografi, en av verdens mest brukte metoder for datakryptering, avhenger av vanskeligheten med å faktorisere (svært) store primtall. Mens dette kan fungere med tradisjonelle datamaskiner, som ikke er særlig effektive til å løse multifaktorproblemer, vil kvantecomputere lett knuse disse krypteringene takket være deres unike evne til å beregne flere resultater samtidig.

Teoretisk sett tar kvantnøkkel distribusjon hånd om dette med et superposisjonsbasert krypteringssystem. Forestill deg at du prøver å sende følsom informasjon til en venn. For å gjøre dette, lager du en krypteringsnøkkel ved hjelp av q-biter, som deretter sendes til mottakeren over en optisk kabel. Hvis de kodede q-bitene hadde blitt observert av en tredje part, ville både du og vennen din bli underrettet om en uventet feil i operasjonen. Imidlertid, for å maksimere fordelen av QKD, må krypteringsnøklene alltid opprettholde sine kvanteegenskaper. Lettere sagt enn gjort.

Mat for tanken

Det stopper ikke der. De lysende hjernene rundt om i verden prøver konstant å utnytte sammenfiltring som en måte å kommunisere på kvanteplan. Så langt har kinesiske forskere klart å sende sammenfiltrede fotonpar gjennom deres Micius-satellitten over en rekordlang avstand på 745 miles. Det er god nyhet. Den dårlige nyheten er at, av de 6 millioner sammenfiltrede fotoner som sendes hver sekund, overlevde bare ett par reisen (takket være dekoherens). En fantastisk bedrift likevel, dette eksperimentet viser type infrastruktur vi kan bruke i fremtiden til å sikre kvantenettverk.

Kvante-løpet så også en nylig gjennombruddsfremgang fra QuTech, et forskningssenter ved TU Delft i Nederland — deres kvantesystem opererer ved en temperatur over en grad varmere enn absolutt null (-273 grader Celsius).

Mens disse prestasjonene kan synes ubetydelige for deg og meg, er sannheten at, prøve etter prøve, slike banebrytende forskning bringer oss et skritt nærmere teknologien i morgen. En ting forblir uendret, og det er den glitrende realiteten at de som klarer å utnytte kraften i kvantemekanikk vil ha overlegenhet over resten av verden. Hvordan tror du de vil bruke den?