Hur kvantmekanik kommer att förändra tech-industrin

Richard Feynman sa en gång, “Om du tror att du förstår kvantmekanik, då förstår du inte kvantmekanik.” Detta är sant, men det betyder inte att vi inte kan försöka. Vart skulle vi vara utan vår inneboende 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 ganska abstrakt, men det är bra nyheter för oss, eftersom du inte behöver vara en nobelprisvinnande teoretisk fysiker för att förstå vad som händer. Och vad händer? Låt oss ta reda på det.

Att lägga grunden

Vi börjar med ett enkelt tankeexperiment. Den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger (SDGR ) vill att du ska föreställa dig en katt i en förseglad låda. Så långt, så bra. Nu föreställ dig en ampull 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 i kvantmekanik.

Superposition dikterar att, liksom vår älskade katt, en partikel existerar i alla möjliga tillstånd tills den mäts. “Observation” av partikeln förstör omedelbart dess kvantegenskaper, och voilà, den är återigen styrd av klassisk mekanik.

Nu blir saker och ting mer komplicerade, men låt dig inte avskräckas — även Einstein blev förvånad av idén. Beskriven av mannen själv som “spökaktig verkan på avstånd”, är sammanflätning en koppling mellan ett par partiklar — en fysisk interaktion som resulterar i deras delade tillstånd (eller brist på det, om vi följer superposition).

Sammanflätning dikterar att en förändring i tillståndet för en sammanflätad partikel utlöser en omedelbar, förutsägbar reaktion från den återstående partikeln. För att sätta saker i perspektiv, låt oss kasta två sammanflätade mynt i luften. Sedan observerar vi resultatet. Landade det första myntet på kronan? Då måste mätningen av det återstående myntet vara stjärnor. Med andra ord, när de observeras, motsätter sig sammanflätade partiklar varandras mätningar. Inga behov av att vara rädd, dock — sammanflätning är inte så vanligt. Än så länge, i alla fall.

Den troliga hjälten

“Vad är poängen med all denna kunskap om jag inte kan använda den?”, kan du fråga. Oavsett din fråga, är chansen stor att en kvantdator har svaret. I en digital dator kräver systemet bitar för att öka sin 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? Superpositionerade qubit kan samtidigt hantera ett antal möjliga resultat (eller tillstånd, för att vara konsekvent med våra tidigare segment). I jämförelse kan en digital dator bara bearbeta en beräkning i taget. Dessutom kan vi, genom sammanflätning, 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 ren bearbetningskraft som varje qubit tillhandahåller, och dubbla den sedan.

Ingenting är perfekt

Men det finns en hake — även den minsta vibrationen och temperaturförändringen, 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 hindren när det gäller teknologi som förlitar sig på kvantmekanik.

I en idealisk scenario 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 som en digital processor skulle använda, genererar exponentiellt mer kraft och avsevärt mindre värme i processen. I en idealisk scenario, alltså.

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 frestande utsikterna kanske den för kvantartificiell intelligens. Detta beror på att kvantsystem excellerar i att beräkna sannolikhet för många möjliga val — deras förmåga att ge kontinuerlig återkoppling till intelligent programvara är utan motstycke på dagens marknad. Den uppskattade påverkan är omätlig, och sträcker sig över fält och branscher — från AI i bilindustrin hela vägen till medicinsk forskning. Lockheed Martin (LMT ), den amerikanska rymdjätten, var snabb att inse fördelarna och leder redan med sitt exempel med en kvantdator, som används för autopilotprogramvarutestning. Ta anteckningar.

Principerna för kvantmekanik används också för att hantera problem inom cybersäkerhet. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) kryptografi, 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 att enkelt knäcka dessa krypteringar tack vare deras unika förmåga att beräkna många resultat samtidigt.

Teoretiskt sett kvantnyckeldistribution tar 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 hjälp av qubit, som sedan skickas till mottagaren via en optisk kabel. Om de krypterade qubiterna hade observerats av en tredje part, skulle både du och din vän ha meddelats om ett oförväntat 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 använda sammanflätning som en metod för kvantkommunikation. Hittills har kinesiska forskare lyckats skicka sammanflätade fotonpar via sin Micius-satellit över en rekordlång sträcka på 745 miles. Det är de goda nyheterna. De dåliga nyheterna är att, av de 6 miljoner sammanflätade fotoner som skickas varje sekund, överlevde bara ett par resan (tack, dekoherens). En otrolig prestation ändå, detta experiment visar den typ av infrastruktur vi kan använda i framtiden för att skydda kvantnätverk.

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

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