Как квантовая механика изменит технологическую индустрию

Ричард Фейнман однажды сказал: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, то вы не понимаете квантовую механику». Хотя это может быть правдой, это не значит, что мы не можем попытаться понять ее. Ведь куда бы мы были без нашей врожденной любопытства?

Чтобы понять силу неизвестного, мы разберем два основных понятия за квантовой физикой. Это все довольно абстрактно, но это хорошая новость для нас, потому что вам не нужно быть лауреатом Нобелевской премии по физике, чтобы понять, что происходит. И что происходит? Ну, давайте узнаем.

Основы

Мы начнем с краткого мысленного эксперимента. Австрийский физик Эрвин Шрёдингер хочет, чтобы вы представили себе кота в запечатанной коробке. Пока все хорошо. Теперь представьте себе ампулу с ядовитым веществом внутри коробки. Что случилось с котом? Мы не можем знать точно. Таким образом, пока ситуация не будет наблюдаться, т.е. мы не откроем коробку, кот одновременно мертв и жив, или, в более научных терминах, он находится в суперпозиции состояний. Этот знаменитый мысленный эксперимент известен как парадокс Шрёдингера, и он идеально объясняет одно из двух основных явлений квантовой механики.

Суперпозиция гласит, что, как и наш любимый кот, частица существует во всех возможных состояниях до момента ее измерения. «Наблюдение» частицы сразу же уничтожает ее квантовые свойства, и вот, она снова подчиняется законам классической механики.

Теперь все становится более сложным, но не сдавайтесь — даже Эйнштейн был поражен этой идеей. Описанная им как «жуткое действие на расстоянии», запутанность — это связь между парой частиц — физическое взаимодействие, которое приводит к их общему состоянию (или его отсутствию, если мы рассматриваем суперпозицию).

Запутанность гласит, что изменение состояния одной запутанной частицы вызывает мгновенную, предсказуемую реакцию другой частицы. Чтобы проиллюстрировать это, давайте бросим две запутанные монеты в воздух. Затем давайте посмотрим на результат. Выпала ли первая монета орлом? Тогда измерение второй монеты должно быть решкой. Другими словами, когда наблюдается, запутанные частицы противоречат друг другу. Не бойтесь, однако — запутанность не так часто встречается. Пока, во всяком случае.

Вероятный герой

«Какая польза от всех этих знаний, если я не могу ими воспользоваться?», — можете спросить вы. Какой бы ни был ваш вопрос, скорее всего, квантовый компьютер имеет ответ. В цифровом компьютере система требует увеличения количества битов, чтобы повысить свою вычислительную мощность. Таким образом, чтобы удвоить вычислительную мощность, вы просто удвоите количество битов — это совсем не похоже на квантовые компьютеры.

Квантовый компьютер использует кубиты, основную единицу квантовой информации, чтобы обеспечить вычислительные возможности, не имеющие аналогов даже у самых мощных суперкомпьютеров. Как? Суперпозиционные кубиты могут одновременно решать множество потенциальных исходов (или состояний, чтобы быть более последовательными с предыдущими разделами). В отличие от этого, цифровой компьютер может выполнять только одно вычисление за раз. Кроме того, благодаря запутанности мы можем экспоненциально повысить мощность квантового компьютера, особенно при сравнении с эффективностью традиционных битов в цифровой машине. Чтобы представить себе масштаб, рассмотрите огромную вычислительную мощность, которую обеспечивает каждый кубит, и теперь удвойте ее.

Ничто не идеально

Но есть одна проблема — даже незначительные вибрации и изменения температуры, которые ученые называют «шумом», могут вызвать декогеренцию квантовых свойств и в конечном итоге их полное исчезновение. Хотя вы не можете наблюдать это в реальном времени, то, что вы испытаете, — это вычислительная ошибка. Декогеренция квантовых свойств — это одно из самых больших препятствий для технологий, полагающихся на квантовую механику.

В идеальном сценарии квантовый процессор полностью изолирован от окружающей среды. Для этого ученые используют специализированные холодильники, известные как криогенные холодильники. Эти криогенные холодильники холоднее межзвездного пространства и позволяют нашему квантовому процессору проводить электричество с практически нулевым сопротивлением. Это известно как сверхпроводящее состояние, и оно делает квантовые компьютеры чрезвычайно эффективными. В результате наш квантовый процессор требует лишь доли энергии, которую потребует цифровой процессор, генерируя экспоненциально больше мощности и значительно меньше тепла в процессе. В идеальном сценарии, конечно.

Новый мир возможностей

Прогнозирование погоды, финансовое и молекулярное моделирование, физика частиц… возможности применения квантовых вычислений огромны и перспективны.

Однако одним из самых интригующих перспектив является, возможно, квантовый искусственный интеллект. Это связано с тем, что квантовые системы превосходно рассчитывают вероятности для многих возможных выборов — их способность обеспечивать непрерывную обратную связь с интеллектуальным программным обеспечением не имеет аналогов на сегодняшнем рынке. Ожидаемое воздействие неоценимо, охватывая отрасли и промышленность — от ИИ в автомобильной промышленности до медицинских исследований. Lockheed Martin (LMT ), американский аэрокосмический гигант, быстро осознал выгоды и уже лидирует с помощью своего квантового компьютера, используемого для тестирования программного обеспечения автопилота. Сделайте заметку.

Принципы квантовой механики также используются для решения проблем в области кибербезопасности. RSA (алгоритм Ривеста-Шамира-Адлемана), один из наиболее распространенных методов шифрования данных, полагается на трудность факторизации (очень) больших простых чисел. Хотя это работает с традиционными компьютерами, которые не особенно эффективны в решении многофакторных задач, квантовые компьютеры легко взломают эти шифрования благодаря своей уникальной способности рассчитывать множество исходов одновременно.

Теоретически, квантовое распределение ключей решает эту проблему с помощью системы шифрования на основе суперпозиции. Представьте, что вы пытаетесь передать конфиденциальную информацию другу. Для этого вы создаете ключ шифрования, используя кубиты, которые затем отправляются получателю по оптоволоконному кабелю. Если зашифрованные кубиты были наблюдаемы третьей стороной, вы и ваш друг получите уведомление о неожиданной ошибке в операции. Однако, чтобы максимизировать выгоды от КРК, ключи шифрования должны сохранять свои квантовые свойства все время. Легче сказать, чем сделать.

Еда для размышлений

Это не все. Самые яркие умы во всем мире постоянно пытаются использовать запутанность как средство квантовой связи. Пока что китайские исследователи смогли успешно передать запутанные пары фотонов через свой спутник Micius на рекордное расстояние в 745 миль. Это хорошая новость. Плохая новость в том, что из 6 миллионов запутанных фотонов, передаваемых каждую секунду, только одна пара пережила путешествие (спасибо, декогеренция). Несмотря на это, этот эксперимент очерчивает вид инфраструктуры, которую мы можем использовать в будущем для защиты квантовых сетей.

Квантовые исследования также увидели недавний пробивной прорыв от QuTech, исследовательского центра в ТУ Делфта в Нидерландах — их квантовая система работает при температуре более одного градуса выше абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия).

Хотя эти достижения могут показаться вам и мне незначительными, правда в том, что, попробовав, такая новаторская исследовательская работа приближает нас к технологиям завтрашнего дня. Одна вещь остается неизменной, однако, и это является яркой реальностью, что те, кто сможет успешно использовать силу квантовой механики, будут иметь превосходство над остальным миром. Как вы думаете, они будут использовать его?