วิธีการที่กลศาสตร์ควอนตัมจะเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมเทคโนโลยี

ริชาร์ด ฟายน์แมน曾经说过，“如果你认为自己理解了量子力学，那么你就不理解量子力学。”虽然这可能是真的，但这并不意味着我们不能尝试去理解它。毕竟，没有我们的天生好奇心，我们将会停留在哪里呢？

为了了解未知的力量，我们将要解开量子物理学背后的两个关键概念。它相当抽象，但这对我们来说是好消息，因为你不需要成为诺贝尔奖获得者才能理解发生了什么。那么，到底发生了什么？让我们来看看。

การวางรากฐาน

เราจะเริ่มต้นด้วยการลองนึกภาพสิ่งที่น่าสนใจกัน นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย Erwin Schrödinger ต้องการให้คุณนึกภาพแมวในกล่องที่ปิดสนิท จนถึงขณะนี้ ทุกอย่างดูไม่มีปัญหา ลองนึกภาพถุงที่มีสารพิษอยู่ในกล่อง สิ่งที่เกิดขึ้นกับแมวไม่สามารถรู้ได้อย่างแน่ชัด ดังนั้นจนกว่าสถานการณ์จะถูกสังเกตเห็น (เช่น เมื่อเราพบกล่อง) แมวก็จะอยู่ในสถานะที่มีชีวิตและตายพร้อมกัน หรือในคำที่เป็นทางวิทยาศาสตร์มากขึ้น คืออยู่ในสถานะซุปเปอร์โพซิชัน การทดลองทางความคิดที่มีชื่อเสียงนี้เรียกว่า ปฏิทรรศน์ของแมวของชโรดิงเกอร์ และอธิบายปรากฏการณ์หลักๆ ของกลศาสตร์ควอนตัมได้อย่างสมบูรณ์แบบ

การอยู่ในสถานะซุปเปอร์โพซิชันบังคับว่าอนุภาคจะอยู่ในสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดจนกว่าจะถูกวัด “การสังเกต” อนุภาคจะทำลายคุณสมบัติควอนตัมทันที และอนุภาคจะถูกควบคุมโดยกฎของกลศาสตร์คลาสสิกอีกครั้ง

สิ่งต่างๆ จะ变得ซับซ้อนมากขึ้น แต่อย่ากลัว — แม้แต่ไอน์สไตน์ก็ถูกผลักดันให้ไปสู่ความคิดนี้ด้วย “การกระทำที่น่ากลัวที่ระยะทาง” ตามที่อธิบายไว้โดยตัวเขาเอง คือการเชื่อมต่อระหว่างอนุภาคคู่ — การโต้ตอบทางกายภาพที่ทำให้เกิดสถานะที่ใช้ร่วมกัน (หรือการขาดไป ถ้าเราไปตามการอยู่ในสถานะซุปเปอร์โพซิชัน)

การอยู่ในสถานะซุปเปอร์โพซิชันบังคับว่าเมื่ออนุภาคหนึ่งเปลี่ยนสถานะ อนุภาคที่เหลือจะตอบสนองในทันทีและสามารถคาดเดาได้ ลองนึกภาพว่าเราทอยเหรียญที่เชื่อมต่อกันสองเหรียญ ลองสังเกตผลลัพธ์ หากเหรียญแรกตกลงบนหัว ด้านที่สองจะต้องตกลงบนก้อย ในอีกคำหนึ่ง เมื่อสังเกตเห็น อนุภาคที่เชื่อมต่อกันจะขัดแย้งกับการวัดของกันและกัน ไม่ต้องกลัว — การอยู่ในสถานะซุปเปอร์โพซิชันไม่ค่อยพบเห็น มิหน846 ยัง

วีรบุรุษที่น่าจะเป็นไปได้

“จุดประสงค์ของความรู้ทั้งหมดนี้คืออะไรถ้าฉันไม่สามารถใช้มันได้?” คุณอาจจะถาม คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีคำตอบสำหรับคำถามของคุณ ไม่ว่าจะเป็นคำถามใดก็ตาม ในคอมพิวเตอร์ดิจิทัล ระบบต้องการบิตเพื่อเพิ่มพลังการประมวลผล ดังนั้น หากต้องการเพิ่มพลังการประมวลผลเป็นสองเท่า คุณเพียงเพิ่มจำนวนบิตเป็นสองเท่า — สิ่งนี้ไม่เหมือนกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ คิวบิต ซึ่งเป็นหน่วยข้อมูลพื้นฐานของควอนตัม เพื่อให้สามารถประมวลผลที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน แม้แต่คอมพิวเตอร์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลกก็ไม่สามารถทำได้ คิวบิตที่อยู่ในสถานะซุปเปอร์โพซิชันสามารถจัดการผลลัพธ์ที่เป็นไปได้หลายอย่าง (หรือสถานะ เพื่อให้สอดคล้องกับส่วนก่อนหน้าของเรา) ในขณะเดียวกัน คอมพิวเตอร์ดิจิทัลสามารถทำการคำนวณเพียงครั้งเดียวต่อครั้ง นอกจากนี้ การอยู่ในสถานะซุปเปอร์โพซิชันยังช่วยให้เราสามารถเพิ่มพลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบกับประสิทธิภาพของบิตแบบดิจิทัลในเครื่องจักรดิจิทัล ลองนึกภาพพลังการประมวลผลที่คิวบิตแต่ละตัวให้มา และเพิ่มเป็นสองเท่า

ไม่มีอะไรที่สมบูรณ์แบบ

แต่มีจุดหนึ่งที่ต้องระวัง — แม้แต่การสั่นไหวหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เล็กที่สุดก็สามารถทำให้คุณสมบัติควอนตัมเสื่อมลงและหายไปในที่สุด นักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า “เสียงรบกวน” ในสถานการณ์理想 คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะถูกแยกออกจากสภาพแวดล้อมโดยสิ้นเชิง เพื่อให้ได้เช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้ตู้เย็นพิเศษที่เรียกว่า ตู้เย็นไครโอเจนิก ตู้เย็นเหล่านี้เย็นกว่าพื้นที่ระหว่างดาวเสียอีก และช่วยให้โปรเซสเซอร์ควอนตัมของเราสามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่มีการต้านทาน ซึ่งเรียกว่า สภาพซูเปอร์คอนดักเตอร์ ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประสิทธิภาพสูงมาก ดังนั้น โปรเซสเซอร์ควอนตัมของเราจึงต้องการพลังงานเพียงเศษเสี้ยวของที่โปรเซสเซอร์ดิจิทัลต้องการ และสร้างพลังงานที่มากขึ้นและความร้อนลดลงอย่างมาก ในสถานการณ์理想

โลกใหม่ของความเป็นไปได้

การพยากรณ์อากาศ การสร้างแบบจำลองทางการเงินและการสร้างแบบจำลองโมเลกุล ฟิสิกส์ของอนุภาค… ความเป็นไปได้ในการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นมากมายและรุ่งเรือง

อย่างไรก็ตาม หนึ่งในโอกาสที่น่าดึงดูดที่สุดอาจเป็นเรื่องของปัญญาประดิษฐ์ควอนตัม เนื่องจากระบบควอนตัมมีความสามารถในการคำนวณความน่าจะเป็นสำหรับตัวเลือกที่เป็นไปได้หลายอย่าง และสามารถให้ข้อมูลย้อนกลับแก่ซอฟต์แวร์ที่มีประสิทธิภาพได้อย่างไม่มีใครเทียบได้ ในตลาดปัจจุบัน ผลกระทบที่คาดการณ์ไว้นั้นไม่สามารถวัดได้ และครอบคลุมสาขาและอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่ ปัญญาประดิษฐ์ในอุตสาหกรรมยานยนต์ ไปจนถึงการวิจัยทางการแพทย์ ล็อกฮีด มาร์ติน ผู้นำด้านอวกาศและอุตสาหกรรมของอเมริกา ตระหนักถึงประโยชน์ของสิ่งนี้และเป็นผู้นำในการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อทดสอบซอฟต์แวร์สำหรับการบินอัตโนมัติ

หลักการของกลศาสตร์ควอนตัมยังใช้เพื่อแก้ไขปัญหาในด้านความปลอดภัยของข้อมูล การเข้ารหัส RSA (Rivest-Shamir-Adleman) เป็นวิธีการเข้ารหัสข้อมูลที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ซึ่งพึ่งพาความยากในการแยกตัวประกอบของตัวเลขเฉพาะขนาดใหญ่ ซึ่งไม่ได้ผลด้วยคอมพิวเตอร์แบบดิจิทัลที่ไม่สามารถแก้ปัญหาหลายปัจจัยได้ดีนัก แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้การเข้ารหัสเหล่านี้ได้อย่างง่ายดายโดยใช้ความสามารถในการคำนวณผลลัพธ์หลายอย่างพร้อมกัน

ทฤษฎี การกระจายคีย์ควอนตัม จัดการกับปัญหานี้ด้วยระบบการเข้ารหัสที่ใช้สถานะซุปเปอร์โพซิชัน ลองนึกภาพว่าคุณพยายามส่งข้อมูลที่ละเอียดอ่อนให้เพื่อน คุณสร้างคีย์เข้ารหัสด้วยคิวบิตและส่งไปยังผู้รับผ่านสาย光纖 หากคิวบิตที่เข้ารหัสถูกสังเกตโดยบุคคลที่สาม ทั้งคุณและเพื่อนของคุณจะได้รับการแจ้งเตือนโดยอัตโนมัติเกี่ยวกับข้อผิดพลาดที่ไม่คาดคิดในการดำเนินงาน อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้รับประโยชน์สูงสุดจาก QKD คีย์เข้ารหัสจะต้องรักษาคุณสมบัติควอนตัมของมันเสมอ ซึ่งพูดได้ง่ายกว่าทำ

อาหารสำหรับการคิด

สิ่งนี้ไม่ได้หยุดอยู่ที่นี่ จิตใจที่ดีที่สุดในโลกกำลังพยายามใช้ การเชื่อมต่อควอนตัม เป็นวิธีการสื่อสารควอนตัม จนถึงตอนนี้ นักวิจัยชาวจีนสามารถส่งคู่ฟอตอนเชื่อมต่อควอนตัมผ่าน ดาวเทียม Micius ของพวกเขาเป็นระยะทาง 745 ไมล์ นี่เป็นข่าวดี ข่าวร้ายคือจาก 6 ล้านคู่ฟอตอนเชื่อมต่อควอนตัมที่ส่งทุกวินาที มีเพียงหนึ่งคู่เท่านั้นที่รอดชีวิตจากการเดินทาง (ขอขอบคุณการเสื่อมสภาพ) การทดลองที่น่าประทับใจนี้แสดงให้เห็นโครงสร้างพื้นฐานที่เราอาจใช้ในอนาคตเพื่อรักษาความปลอดภัยของเครือข่ายควอนตัม

การแข่งขันควอนตัมยังเห็น ความก้าวหน้า ล่าสุดจาก QuTech ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยที่ TU Delft ในเนเธอร์แลนด์ — ระบบควอนตัมของพวกเขาทำงานที่อุณหภูมิที่สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (-273 องศาเซลเซียส) หนึ่งองศา

แม้ว่าความสำเร็จเหล่านี้อาจดูไม่สำคัญสำหรับคุณและฉัน แต่ความจริงก็คือการวิจัยที่เป็นรากฐานซึ่งพยายามที่จะก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง ทำให้เราใกล้จะก้าวเข้าสู่เทคโนโลยีของพรุ่งนี้มากขึ้น สิ่งหนึ่งที่ไม่เปลี่ยนแปลงคือความเป็นจริงที่ชัดเจนที่ว่าผู้ที่สามารถใช้พลังของกลศาสตร์ควอนตัมได้สำเร็จจะมีอำนาจเหนือคนอื่นๆ ในโลก คุณคิดว่าพวกเขาจะใช้มันอย่างไร?