Jak Mechanika Kwantowa Zmieni Przemysł Technologiczny

Richard Feynman kiedyś powiedział, „Jeśli myślisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to nie rozumiesz mechaniki kwantowej”. Chociaż to może być prawdą, nie oznacza to, że nie możemy próbować. W końcu, gdzie bylibyśmy bez naszej wrodzonej ciekawości?

Aby zrozumieć moc nieznanego, będziemy rozplątywać kluczowe pojęcia za mechaniką kwantową — dwa z nich, aby być dokładnym (pfiew!). To wszystko jest dość abstrakcyjne, ale to dobra wiadomość dla nas, ponieważ nie musisz być laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki teoretycznej, aby zrozumieć, co się dzieje. A co się dzieje? No cóż, zobaczmy.

Stwarzanie podstaw

Zacznijmy od krótkiego eksperymentu myślowego. Austriacki fizyk Erwin Schrödinger (SDGR ) chce, abyś wyobraził sobie kota w zamkniętej skrzynce. Dotąd, dotąd, wszystko w porządku. Teraz wyobraź sobie, że w skrzynce umieszczono ampułkę z trucizną. Co się stało z kotem? Nie możemy tego wiedzieć na pewno. Zatem, dopóki sytuacja nie zostanie zaobserwowana, tj. nie otworzymy skrzynki, kot jest zarówno martwy, jak i żywy, lub w bardziej naukowych słowach, znajduje się w superpozycji stanów. Ten słynny eksperyment myślowy jest znany jako paradoks kota Schrödingera, i doskonale wyjaśnia jedno z dwóch głównych zjawisk mechaniki kwantowej.

Superpozycja nakazuje, że, podobnie jak nasz ukochany kot, cząstka istnieje we wszystkich możliwych stanach aż do momentu, w którym zostanie zmierzona. „Obserwowanie” cząstki natychmiast niszczy jej właściwości kwantowe, i voilà, jest ponownie podlega prawom mechaniki klasycznej.

Teraz rzeczy mogą stać się bardziej skomplikowane, ale nie zniechęcaj się — nawet Einstein był zaskoczony tą ideą. Opisany przez samego jako „zabobonna akcja na odległość”, splątanie jest połączeniem między parą cząstek — fizyczną interakcją, która powoduje ich wspólny stan (lub brak, jeśli idziemy za superpozycją).

Splątanie nakazuje, że zmiana stanu jednej splątanej cząstki wyzwala natychmiastową, przewidywalną reakcję pozostałej cząstki. Aby to wyjaśnić, wrzućmy dwa splątane monety w powietrze. Następnie zaobserwujmy wynik. Czy pierwsza moneta wylądowała na głowie? Wtedy pomiar pozostałej monety musi być ogonem. Innymi słowy, gdy zaobserwowane, splątane cząstki przeciwstawiają się nawzajem. Nie ma powodu do obawy — splątanie nie jest tak powszechne. Jeszcze nie, to znaczy.

Prawdopodobny bohater

„Jaki jest sens tej wiedzy, jeśli nie mogę jej użyć?”, możesz pytać. Niezależnie od Twojego pytania, szansa jest taka, że komputer kwantowy ma odpowiedź. W komputerze cyfrowym system wymaga bitów, aby zwiększyć swoją moc obliczeniową. Zatem, aby podwoić moc obliczeniową, po prostu podwoisz liczbę bitów — nie jest to wcale podobne w komputerach kwantowych.

Komputer kwantowy używa kubitów, podstawowej jednostki informacji kwantowej, aby zapewnić możliwości obliczeniowe niezrównane nawet przez najpotężniejsze superkomputery. Jak? Superpozycyjne kubity mogą jednocześnie rozwiązywać wiele potencjalnych wyników (lub stanów, aby być bardziej spójnym z naszymi poprzednimi segmentami). W porównaniu, komputer cyfrowy może tylko rozwiązywać jeden obliczenie na raz. Co więcej, poprzez splątanie, możemy wykładniczo zwiększyć moc komputera kwantowego, szczególnie w porównaniu z wydajnością tradycyjnych bitów w maszynie cyfrowej. Aby to wyjaśnić, rozważ ogromną ilość mocy obliczeniowej, którą zapewnia każdy kubit, a następnie podwożyć ją.

Nic nie jest idealne

Jest jednak haczyk — nawet najlżejsze drgania i zmiany temperatury, określane przez naukowców jako „szum”, mogą powodować rozpad właściwości kwantowych i ostatecznie zniknąć całkowicie. Chociaż nie możesz tego obserwować w czasie rzeczywistym, to, co doświadczysz, to błąd obliczeniowy. Rozpad właściwości kwantowych jest znany jako dekoherencja, i jest to jeden z największych problemów w przypadku technologii opartej na mechanice kwantowej.

W idealnym scenariuszu procesor kwantowy jest całkowicie izolowany od swojego otoczenia. Aby to osiągnąć, naukowcy używają specjalistycznych lodówek, znanych jako kriogeniczne chłodnice. Te kriogeniczne chłodnice są zimniejsze niż przestrzeń międzygwiazdowa, i umożliwiają naszemu procesorowi kwantowemu przewodzenie prądu z praktycznie żadnym oporem. To jest znane jako stan nadprzewodzący, i sprawia, że komputery kwantowe są niezwykle wydajne. W rezultacie, nasz procesor kwantowy wymaga ułamka energii, którą wymagałby procesor cyfrowy, generując wykładniczo więcej mocy i znacznie mniej ciepła w procesie. W idealnym scenariuszu, to znaczy.

Nowy świat możliwości

Prognozowanie pogody, modelowanie finansowe i molekularne, fizyka cząstek… możliwości zastosowania komputacji kwantowej są ogromne i perspektywiczne.

Jedną z najbardziej kuszących perspektyw jest może ta związana z kwantową sztuczną inteligencją. To dlatego, że systemy kwantowe wyróżniają się w obliczaniu prawdopodobieństw dla wielu możliwych wyborów — ich zdolność do zapewnienia ciągłej informacji zwrotnej do oprogramowania inteligentnego jest niezrównana na dzisiejszym rynku. Szacowany wpływ jest niezmierzony, rozciągający się na pola i branże — od sztucznej inteligencji w branży motoryzacyjnej aż po badania medyczne. Lockheed Martin (LMT ), amerykański gigant lotniczy, szybko zrozumiał korzyści i jest już przykładem zastosowania komputera kwantowego do testowania oprogramowania autopilota. Zrób notatkę.

Zasady mechaniki kwantowej są również stosowane w celu rozwiązania problemów związanych z bezpieczeństwem cybernetycznym. Szyfrowanie RSA (Rivest-Shamir-Adleman), jeden z najpopularniejszych sposobów szyfrowania danych, opiera się na trudności rozkładu (bardzo) dużych liczb pierwszych. Chociaż to może działać w komputerach tradycyjnych, które nie są szczególnie skuteczne w rozwiązywaniu problemów wieloczynnikowych, komputery kwantowe łatwo złamią te szyfrowania dzięki ich unikalnej zdolności do obliczania wielu wyników jednocześnie.

Teoretycznie, dystrybucja kluczy kwantowych rozwiązuje ten problem za pomocą systemu szyfrowania opartego na superpozycji. Wyobraź sobie, że próbujesz przesłać poufne informacje do przyjaciela. Aby to zrobić, tworzysz klucz szyfrowania przy użyciu kubitów, które są następnie wysyłane do odbiorcy przez kabel optyczny. Jeśli zaszyfrowane kubity zostałyby zaobserwowane przez osobę trzecią, zarówno ty, jak i twój przyjaciel zostaliby powiadomieni o nieoczekiwanym błędzie w operacji. Niemniej, aby maksymalnie wykorzystać korzyści z dystrybucji kluczy kwantowych, klucze szyfrowania musiałyby zachować swoje właściwości kwantowe przez cały czas. Łatwiej powiedzieć niż zrobić.

Pokarm dla myśli

To nie wszystko. Najjaśniejsze umysły na świecie stale próbują wykorzystywać splątanie jako sposób komunikacji kwantowej. Do tej pory chińscy badacze byli w stanie pomyślnie przesłać splątane pary fotonów przez ich satelitę Micius na rekordowy dystans 745 mil. To dobra wiadomość. Zła wiadomość jest taka, że z 6 milionów splątanych fotonów wysyłanych co sekundę, tylko jedna para przetrwała podróż (dzięki dekoherencji). To niesamowite osiągnięcie, które zarysowuje rodzaj infrastruktury, którą możemy użyć w przyszłości do zabezpieczenia sieci kwantowych.

Wyścig kwantowy również odnotował niedawne przełomowe osiągnięcie ze strony QuTech, centrum badawczego na Uniwersytecie Technicznym w Delft w Holandii — ich system kwantowy działa w temperaturze o jeden stopień cieplejszej niż absolutna zero (-273 stopni Celsjusza).

Pomimo że te osiągnięcia mogą wydawać się nieistotne dla ciebie i mnie, prawdą jest, że próba po próbie, takie przełomowe badania przybliżają nas o krok do technologii jutra. Jedna rzecz pozostaje niezmienna, a mianowicie jest to oczywista rzeczywistość, że ci, którzy zdołają pomyślnie wykorzystać moc mechaniki kwantowej, będą miały supremację nad resztą świata. Jak myślisz, że ją użyją?