Hvordan kvantemekanikk vil endre teknologiindustrien

Richard Feynman sa en gang, “Hvis du tror du forstår kvantemekanikk, så forstår du ikke kvantemekanikk.” Mens det kan være sant, betyr det ikke at vi ikke kan prøve. Etter all, hvor ville vi være uten vår innfødt nysgjerrighet?

For å forstå kraften i det ukjente, skal vi løse opp de viktigste konseptene bak kvantefysikk — to av dem, for å være eksakt (pust!). Det er alt ganske abstrakt, faktisk, men det er gode nyheter 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.

Leggende grunnarbeidet

Vi starter med en kort tankeeksperiment. Den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger 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, er den i en superposisjon av tilstander. Dette berømte tankeeksperimentet er kjent som Schrödingers katt-paradoks, og det forklarer perfekt en 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 ting mer kompliserte, men vær ikke avskrekket — selv Einstein ble kastet tilbake av ideen. Beskrevet av mannen selv som “spøkelsesakt ved avstand”, er sammenkobling en tilknytning mellom et par partikler — en fysisk interaksjon som resulterer i deres felles tilstand (eller mangel på det, hvis vi går etter superposisjon).

Sammenkobling dikterer at en endring i tilstanden til en sammenkoblet partikkel utløser en umiddelbar, forutsigbar respons fra den gjenværende partikkelen. For å sette ting i perspektiv, la oss kaste to sammenkoblede 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 observeres, sammenkoblede partikler motvirker hverandres målinger. Ingen grunn til å være redd, though — sammenkobling er ikke så vanlig. Ikke ennå, det er.

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 computer, krever systemet at bitene økes for å øke prosesseringskraften. Derfor, for å doble prosesseringskraften, ville du bare doble antall bit. Dette er ikke i det hele tatt likt i kvantecomputere.

En kvantecomputer bruker qubits, den grunnleggende enheten for kvantinformasjon, for å gi prosesseringsmuligheter som ikke er matchet selv av verdens kraftigste supercomputere. Hvordan? Superposisjons-qubits kan samtidig takle en rekke mulige resultater (eller tilstander, for å være mer konsistent med våre tidligere segmenter). I sammenligning kan en digital computer bare knuse gjennom en beregning om gangen. Videre, gjennom sammenkobling, er vi i stand til å eksponentielt forsterke kraften til en kvantecomputer, spesielt når sammenlignet med effektiviteten til tradisjonelle bit i en digital maskin. For å visualisere skalaen, vurdér den enorme mengden prosesseringskraft hver qubit gir, og nå dobl den.

Ingenting er perfekt

Men det er en hake — selv de minste vibrasjonene og temperaturforandringene, referert til av vitenskapsmenn som “støy”, kan forårsake kvanteeigenskaper å forfalle og til slutt, forsvinne helt. Mens du ikke kan observere dette i sanntid, hva du vil erfaring er en beregningsfeil. Forfallet av kvanteeigenskaper er kjent som 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 nesten ingen motstand. Dette er kjent som en superledende tilstand, og det gjør kvantecomputere ekstremt effektive. Som resultat, vår kvanteprosessor krever en brøkdel av energien en digital prosessor ville bruke, og genererer eksponentielt mer kraft og betydelig mindre varme i prosessen. I et idealt scenario, det er.

En (ny) verden av muligheter

Værforutsigelse, finansiell og molekylær modellering, partikkelfysikk… mulighetene for kvanteberegning er både enorme og lønnsomme.

Likevel er en av de mest forlokkende prospektene kanskje det av 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 sidestykke i dagens marked. Den estimerte effekten er uendelig, og spenner over felt og industrier — fra kunstig intelligens i bilindustrien til medisinsk forskning. Lockheed Martin, den amerikanske romfartsjætten, var rask til å innse fordelene, og leder allerede med sitt eksempel med sin kvantecomputer, som brukes til autopilot-programvaretesting. Ta notater.

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

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

Mat for tanken

Det stopper ikke der. De lyseste hjernene rundt om i verden prøver konstant å utnytte sammenkobling som en måte å kommunisere på kvantefeltet. Langt så lenge, klarte kinesiske forskere å suksessfullt sende sammenkoblede par av fotoner gjennom deres Micius-satellitten over en rekordhøy avstand på 745 miles. Det er de gode nyhetene. De dårlige nyhetene er at, av de 6 millionene sammenkoblede fotoner som sendes hver sekund, overlevde bare ett par reisen (takket være dekoherens). En fantastisk bedrift likevel, dette eksperimentet skisserer den type infrastruktur vi kan bruke i fremtiden for å sikre kvantenetverk.

Kvante-løpet så 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, slik banebrytende forskning bringer oss et skritt nærmere teknologien i morgen. En ting forblir uendret, likevel, og det er den glitrende realiteten at de som klarer å suksessfullt utnytte kraften til kvantemekanikk, vil ha overlegenhet over resten av verden. Hvordan tror du de vil bruke den?