Cum va schimba mecanica cuantică industria tehnologiei

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

Pentru a înțelege puterea necunoscutului, vom dezvălui conceptele cheie din spatele fizicii cuantice — două dintre ele, pentru a fi exact (uf!). Totul este destul de abstract, de fapt, dar aceasta este o veste bună pentru noi, deoarece nu trebuie să fim fizicieni teoreticieni laureați 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 scurt. Fizicianul austriac Erwin Schrödinger (SDGR ) vrea să vă imaginați un pisic într-o cutie sigilată. Până acum, totul este în regulă. Acum imaginați-vă o fiolă care conține o substanță mortală, plasată în interiorul cutiei. Ce s-a întâmplat cu pisica? Nu putem ști cu certitudine. Prin urmare, 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 iată, este din nou guvernată de regulile mecanicii clasice.

Acum, lucrurile sunt pe cale să devină mai complicate, dar nu vă descurajați — nici măcar Einstein nu a fost împiedicat de această idee. Descrierea făcută de el însuși ca „acțiune 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 conformăm suprapunerii).

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 măsurarea monedei rămase trebuie să fie coadă. Cu alte cuvinte, atunci când sunt observate, particulele încârligate se contrazic una alteia. Nu este nevoie să vă temeți, însă — încârligarea nu este atât de frecventă. Încă nu.

Probabilul erou

„Care este scopul tuturor acestor cunoștințe dacă nu le pot folosi?”, ați putea întreba. Indiferent de întrebarea dvs., este probabil că un calculator cuantic are răspunsul. Într-un calculator digital, sistemul necesită biți pentru a-și crește puterea de procesare. Prin urmare, 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 qubiți, unitatea fundamentală de informație cuantică, pentru a oferi capacități de procesare care nu au egal nici măcar cu cele mai puternice supercalculatoare din lume. Cum? Qubiții suprapuși pot aborda simultan o serie de rezultate posibile (sau stări, pentru a fi consecvenți cu segmentele noastre anterioare). În comparație, un calculator digital poate procesa doar o singură calculare la un moment dat. Mai mult, prin încârligare, putem amplifica exponențial puterea unui calculator cuantic, în special atunci când o comparăm cu eficiența biților tradiționali dintr-un calculator digital. Pentru a vizualiza scala, luați în considerare cantitatea imensă de putere de procesare oferită de fiecare qubit, și apoi dublați-o.

Nimic nu este perfect

Dar există o capcană — chiar și cele mai mici vibrații și schimbări de temperatură, denumite de oameni 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 frigidere criogenice. Aceste frigidere criogenice 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 unui procesor digital, generând o putere exponențial mai mare și o cantitate semnificativ mai mică de căldură în proces. Într-un scenariu ideal, desigur.

O (nouă) lume de posibilități

Prognoza meteo, modelarea financiară și moleculară, fizica particulelor… posibilitățile de aplicare pentru calculul cuantic sunt atât enorme, cât și prosperoase.

Încă, una dintre cele mai tentante perspective este poate 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 inteligența artificială în industria auto până la cercetarea medicală. Lockheed Martin (LMT ), gigantul aerospațial american, a fost rapid să realizeze beneficiile și conduce deja prin exemplu cu calculatorul său cuantic, utilizându-l pentru testarea software-ului de autopilot. Luați notițe.

Principiile mecanicii cuantice sunt utilizate și 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 numerelor prime mari. În timp ce 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 qubiți, care sunt apoi trimise destinatarului printr-un cablu optic. Dacă qubiții codificați ar fi fost observați de o terță parte, atât dvs., cât și prietenul dvs. ați fi fost anunțați printr-o eroare neașteptată în funcționare. Cu toate acestea, pentru a maximiza beneficiile distribuției cheilor cuantice, cheile de criptare ar trebui să-și păstreze proprietățile cuantice în orice moment. Mai ușor de spus decât de făcut.

Alimente 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 transmită cu succes perechi de fotoni încârligați prin satelitul lor Micius pe o distanță record de 745 de mile. Aceasta este vestea bună. Vestea proastă este că, din cele 6 milioane de perechi de fotoni încârligați trimiși în fiecare secundă, doar una a supraviețuit călătoriei (mulțumim, decoerență). Un realizare incredibilă, cu toate acestea, acest experiment subliniază 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 la TU Delft, în Țările de Jos — sistemul lor cuantic funcționează la o temperatură cu un grad mai cald decât zero absolut (-273 grade Celsius).

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