Cum va schimba mecanica cuantică industria tehnologiei

Richard Feynman a spus odată: „Dacă crezi că înțelegi mecanica cuantică, atunci nu o înțelegi.” Deși acest lucru poate fi adevărat, nu înseamnă că nu putem încerca. După tot, unde am fi fără curiozitatea noastră înnăscută?

Pentru a înțelege puterea necunoscutului, vom dezvălui conceptele cheie din spatele fizicii cuantice — două, pentru a fi exact. Totul este destul de abstract, de fapt, dar aceasta este o veste bună pentru noi, deoarece nu trebuie să fim fizicieni teoreticieni câștigători ai Premiului Nobel pentru a înțelege ce se întâmplă. Și ce se întâmplă? Ei bine, să aflăm.

Punerea temeliei

Vom începe cu un experiment de gândire. Fizicianul austriac Erwin Schrödinger vrea să-ți imaginezi o pisică într-o cutie sigilată. Până acum, totul este în regulă. Acum imaginează-ți un flacon care conține o substanță mortală plasat în cutie. Ce s-a întâmplat cu pisica? Nu putem ști cu certitudine. Astfel, până când situația este observată, adică deschidem cutia, pisica este atât moartă, cât și vie, sau în termeni mai științifici, se află într-o suprapunere de stări. Acest experiment de gândire celebru este cunoscut sub numele de paradoxul pisicii lui Schrödinger, și explică perfect una dintre cele două fenomene principale ale mecanicii cuantice.

Suprapunerea dictată că, la fel ca pisica noastră iubită, o particulă există în toate stările posibile până în momentul în care este măsurată. „Observarea” particulei distruge imediat proprietățile sale cuantice, și voilà, este din nou guvernată de regulile mecanicii clasice.

Acum, lucrurile sunt pe cale să devină mai complicate, dar nu vă lăsați descurajați — nici măcar Einstein nu a fost impresionat de idee. Descrierea făcută de el însuși ca „acțiune spațială ciudată la distanță”, încârligarea este o legătură între o pereche de particule — o interacțiune fizică care rezultă în starea lor comună (sau lipsa acesteia, dacă ne ghidăm după suprapunere).

Încârligarea dictată că o schimbare în starea unei particule încârligate declanșează o reacție imediată și previzibilă din partea particulei rămase. Pentru a pune lucrurile în perspectivă, să aruncăm două monede încârligate în aer. Ulterior, să observăm rezultatul. A aterizat prima monedă pe cap? Atunci măsurătorile monedei rămase trebuie să fie cozi. Cu alte cuvinte, atunci când sunt observate, particulele încârligate se contrazic reciproc. Nu trebuie să vă fie frică, însă — încârligarea nu este atât de frecventă. Încă nu, cel puțin.

Probabilul erou

„Care este scopul tuturor acestor cunoștințe, dacă nu le pot folosi?”, vă întrebați. Indiferent de întrebarea dumneavoastră, șansele sunt ca un calculator cuantic să aibă răspunsul. Într-un calculator digital, sistemul necesită biți pentru a-și crește puterea de procesare. Astfel, pentru a dubla puterea de procesare, ați dubla pur și simplu numărul de biți — acest lucru nu este deloc similar în calculatoarele cuantice.

Un calculator cuantic utilizează cubiți, unitatea de bază a informației cuantice, pentru a oferi capacități de procesare care nu au egal nici măcar cu cele mai puternice supercalculatoare din lume. Cum? Cubiții suprapuși pot aborda simultan o serie de rezultate posibile (sau stări, pentru a fi mai consecvenți cu segmentele noastre anterioare). În comparație, un calculator digital poate procesa doar o singură calculare odată. Mai mult, prin încârligare, putem amplifica exponențial puterea unui calculator cuantic, în special atunci când o comparăm cu eficiența biților tradiționali dintr-o mașină digitală. Pentru a vizualiza scară, luați în considerare cantitatea imensă de putere de procesare pe care o oferă fiecare cubit, și acum dublați-o.

Nimic nu este perfect

Dar există o capcană — chiar și cele mai mici vibrații și schimbări de temperatură, denumite de către oamenii de știință „zgomot”, pot cauza decăderea proprietăților cuantice și, în cele din urmă, dispariția acestora. Deși nu puteți observa acest lucru în timp real, ceea ce veți experimenta este o eroare de calcul. Decăderea proprietăților cuantice este cunoscută sub numele de decoerență, și este una dintre cele mai mari obstacole atunci când vine vorba de tehnologia care se bazează pe mecanica cuantică.

Într-un scenariu ideal, un procesor cuantic este complet izolat de mediul înconjurător. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință utilizează frigidere specializate, cunoscute sub numele de criorefrigeratoare. Aceste criorefrigeratoare sunt mai reci decât spațiul interstelar, și permit procesorului nostru cuantic să conducă electricitatea cu o rezistență virtuală zero. Acest lucru este cunoscut sub numele de stare superconductoare, și face calculatoarele cuantice extrem de eficiente. Ca rezultat, procesorul nostru cuantic necesită doar o fracțiune din energia pe care ar folosi-o un procesor digital, generând o putere exponențial mai mare și o cantitate semnificativ mai mică de căldură în proces. Într-un scenariu ideal, cel puțin.

O lume (nouă) de posibilități

Prognoza meteo, modelarea financiară și moleculară, fizica particulelor… posibilitățile de aplicare a calculului cuantic sunt atât imense, cât și prosperă.

Încă, una dintre cele mai tentante perspective este, probabil, cea a inteligenței artificiale cuantice. Acest lucru se datorează faptului că sistemele cuantice excelează la calcularea probabilităților pentru multe alegeri posibile — capacitatea lor de a oferi feedback continuu pentru software-ul inteligent este fără egal pe piața de astăzi. Impactul estimat este imensurabil, cuprinzând domenii și industrii — de la inteligență artificială în industria auto până la cercetarea medicală. Lockheed Martin, gigantul aerospațial american, a fost rapid să realizeze beneficiile și conduce already cu exemplu, utilizând calculatorul său cuantic pentru testarea software-ului de pilot automat. Luați notițe.

Principiile mecanicii cuantice sunt, de asemenea, utilizate pentru a aborda problemele de securitate cibernetică. Criptografia RSA (Rivest-Shamir-Adleman), una dintre metodele preferate de criptare a datelor, se bazează pe dificultatea factorizării (foarte) numerelor prime mari. Deși acest lucru poate funcționa cu calculatoarele tradiționale, care nu sunt deosebit de eficiente în rezolvarea problemelor multifactor, calculatoarele cuantice vor sparge cu ușurință aceste criptări datorită capacității lor unice de a calcula multiple rezultate simultan.

Teoretic, distribuția cheilor cuantice se ocupă de acest lucru cu un sistem de criptare bazat pe suprapunere. Imaginați-vă că încercați să transmiteți informații sensibile unui prieten. Pentru a face acest lucru, creați o cheie de criptare utilizând cubiți, care sunt apoi trimise destinatarului printr-un cablu optic. Dacă cubiții codificați ar fi fost observați de o terță parte, atât dumneavoastră, cât și prietenul dumneavoastră ați fi fost anunțați printr-o eroare neașteptată în operațiune. Cu toate acestea, pentru a maximiza beneficiile distribuției cheilor cuantice, cheile de criptare ar trebui să-și mențină proprietățile cuantice în orice moment. Mai ușor de spus decât de făcut.

Hrană pentru gândire

Acest lucru nu se oprește aici. Mințile strălucite de pe glob încearcă constant să utilizeze încârligarea ca mod de comunicare cuantică. Până acum, cercetătorii chinezi au reușit să trimită cu succes perechi de fotoni încârligați prin satelitul lor Micius pe o distanță record de 745 de mile. Acesta este vestea bună. Vestea proastă este că, din cele 6 milioane de fotoni încârligați trimiși în fiecare secundă, doar o pereche a supraviețuit călătoriei (mulțumim, decoerență). Un realizare incredibilă, cu toate acestea, acest experiment conturează tipul de infrastructură pe care am putea să o utilizăm în viitor pentru a securiza rețelele cuantice.

Cursa cuantică a văzut, de asemenea, o avansare remarcabilă recentă de la QuTech, un centru de cercetare de la TU Delft, în Țările de Jos — sistemul lor cuantic funcționează la o temperatură cu peste un grad mai cald decât zero absolut (-273 de grade Celsius).

Deși aceste realizări pot părea insignifiante pentru dumneavoastră și mine, adevărul este că, încercare după încercare, astfel de cercetări deosebite ne aduc cu un pas mai aproape de tehnologia de mâine. Un lucru rămâne neschimbat, cu toate acestea, și anume realitatea evidentă că cei care reușesc să harnesszeze cu succes puterea mecanicii cuantice vor avea supremație asupra restului lumii. Cum credeți că o vor folosi?