Hur kvantmekanik kommer att förändra tech-industrin

Richard Feynman sa en gång, “Om du tror att du förstår kvantmekanik, då förstår du inte kvantmekanik.” Medan det kan vara sant, betyder det inte att vi inte kan försöka. Efter allt, vart skulle vi vara utan vår medfödda nyfikenhet?

För att förstå kraften i det okända, ska vi reda ut de viktigaste begreppen bakom kvantfysik — två av dem, för att vara exakt (fy!). Det är allt ganska abstrakt, faktiskt, men det är bra nyheter för oss, eftersom du inte behöver vara en nobelpristagande teoretisk fysiker för att förstå vad som händer. Och vad händer? Jo, låt oss ta reda på det.

Att lägga grunden

Vi börjar med ett kort tankeexperiment. Den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger vill att du ska föreställa dig en katt i en förseglad låda. Så långt, så bra. Nu föreställ dig en flaska som innehåller ett dödligt ämne som placeras i lådan. Vad hände med katten? Vi kan inte veta med säkerhet. Alltså, tills situationen observeras, d.v.s. vi öppnar lådan, är katten både död och levande, eller i mer vetenskapliga termer, den befinner sig i en superposition av tillstånd. Detta kända tankeexperiment kallas Schrödingers katt-paradox, och det förklarar perfekt en av de två huvudsakliga fenomenen av kvantmekanik.

Superposition dikterar att, likt vår älskade katt, en partikel existerar i alla möjliga tillstånd tills den observeras. “Observera” partikeln förstör omedelbart dess kvantegenskaper, och voilà, den är återigen styrda av klassisk mekaniks regler.

Nu blir saker mer komplicerade, men var inte avskräckt — även Einstein blev tillbakakastad av idén. Beskriven av mannen själv som “spökaktig handling på avstånd”, är förknippning en anslutning mellan ett par partiklar — en fysisk interaktion som resulterar i deras delade tillstånd (eller brist därpå, om vi går efter superposition).

Förknippning dikterar att en förändring i tillståndet för en förknippad partikel utlöser en omedelbar, förutsägbar reaktion från den återstående partikeln. För att sätta saker i perspektiv, låt oss kasta två förknippade mynt i luften. Därefter låt oss observera resultatet. Landade det första myntet på huvud? Då måste mätningen av den återstående myntet vara svans. Med andra ord, när de observeras, motsätter sig förknippade partiklar varandras mätningar. Inga behov att vara rädda, dock — förknippning är inte så vanligt. Inte än, i alla fall.

Den troliga hjälten

“Vad är poängen med all denna kunskap om jag inte kan använda den?”, kanske du undrar. Oavsett din fråga, är chansen stor att en kvantdator har svaret. I en digital dator kräver systemet bitar för att öka dess bearbetningskraft. Alltså, för att dubbla bearbetningskraften, skulle du bara dubbla antalet bitar — detta är inte alls liknande i kvantdatorer.

En kvantdator använder qubit, den grundläggande enheten för kvantinformation, för att tillhandahålla bearbetningsförmågor som inte ens världens kraftfullaste superdatorer kan matcha. Hur? Superposition qubit kan samtidigt hantera ett antal möjliga resultat (eller tillstånd, för att vara mer konsekvent med våra tidigare segment). I jämförelse kan en digital dator bara hantera en beräkning i taget. Dessutom, genom förknippning, kan vi exponentiellt förstärka kraften i en kvantdator, särskilt när vi jämför detta med effektiviteten hos traditionella bitar i en digital maskin. För att visualisera skalan, överväg den renodlade bearbetningskraft som varje qubit tillhandahåller, och nu dubbla den.

Ingenting är perfekt

Men det finns en hake — även de minsta vibrationerna och temperaturförändringarna, som benämns “brus” av forskare, kan orsaka kvantegenskaper att försämras och till slut, försvinna helt. Medan du inte kan observera detta i realtid, vad du kommer att uppleva är ett beräkningsfel. Försämringen av kvantegenskaper kallas dekoherens, och det är ett av de största hinder när det gäller teknik som förlitar sig på kvantmekanik.

I en idealisk situation är en kvantprocessor helt isolerad från sin omgivning. För att göra detta använder forskare specialiserade kylskåp, kända som kryogena kylskåp. Dessa kryogena kylskåp är kallare än interstellär rymd, och de möjliggör att vår kvantprocessor kan leda elektricitet med praktiskt taget inget motstånd. Detta kallas en supraledande tillstånd, och det gör kvantdatorer extremt effektiva. Som ett resultat kräver vår kvantprocessor en bråkdel av den energi en digital processor skulle använda, genererar exponentiellt mer kraft och avsevärt mindre värme i processen. I en idealisk situation, det.

En (ny) värld av möjligheter

Väderprognoser, finansiell och molekylär modellering, partikelfysik… de tillämpningsmöjligheterna för kvantberäkning är både enorma och lukrativa.

Ändå är en av de mest förtrollande utsikterna kanske den om kvantartificiell intelligens. Detta beror på att kvantsystem excellerar i att beräkna sannolikhet för många möjliga val — deras förmåga att ge kontinuerlig feedback till intelligent programvara är utan motstycke på dagens marknad. Den beräknade påverkan är omätlig, och sträcker sig över fält och industrier — från AI i den fordonsrelaterade hela vägen till medicinsk forskning. Lockheed Martin, den amerikanska rymdfartsjätten, insåg snabbt fördelarna och leder redan vägen med sin kvantdator, som används för autopilotprogramvarutestning. Ta anteckningar.

Principerna för kvantmekanik används också för att hantera problem inom cybersäkerhet. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) kryptering, en av världens mest använda metoder för datakryptering, förlitar sig på svårigheten att faktorisera (mycket) stora primtal. Medan detta kan fungera med traditionella datorer, som inte är särskilt effektiva för att lösa multifaktorproblem, kommer kvantdatorer lätt att knäcka dessa krypteringar tack vare deras unika förmåga att beräkna många resultat samtidigt.

Teoretiskt sett tar kvantnyckeldistribution hand om detta med ett superposition-baserat krypteringssystem. Föreställ dig att du försöker skicka känslig information till en vän. För att göra detta skapar du en krypteringsnyckel med qubit, som sedan skickas till mottagaren via en optisk kabel. Om de krypterade qubitarna hade observerats av en tredje part, skulle både du och din vän ha meddelats om ett oväntat fel i driften. Men för att maximera fördelarna med QKD måste krypteringsnycklarna alltid behålla sina kvantegenskaper. Lättare sagt än gjort.

Mat för tankar

Det slutar inte där. De ljusaste hjärnorna runt om i världen försöker ständigt att utnyttja förknippning som en form av kvantkommunikation. Hittills kunde kinesiska forskare med framgång skicka förknippade par av fotoner genom sin Micius-satellit över en rekordhållande sträcka på 745 miles. Det är de goda nyheterna. De dåliga nyheterna är att, av de 6 miljoner förknippade fotoner som skickas varje sekund, överlevde endast ett par resan (tack, dekoherens). En otrolig prestation ändå, detta experiment skisserar den typ av infrastruktur vi kan använda i framtiden för att säkra kvantnätverk.

Kvantdatorracet såg nyligen ett genombrott från QuTech, ett forskningscenter vid TU Delft i Nederländerna — deras kvantsystem opererar vid en temperatur över en grad varmare än den absoluta nollpunkten (-273 grader Celsius).

Medan dessa prestationer kan tyckas obetydliga för dig och mig, är sanningen att, försök efter försök, sådan banbrytande forskning bringar oss ett steg närmare tekniken för morgondagen. En sak förblir oförändrad, dock, och det är den glänsande verkligheten att de som lyckas med att framgångsrikt utnyttja kraften i kvantmekanik kommer att ha överlägsenhet över resten av världen. Hur tror du att de kommer att använda den?