Як квантова механіка змінить технологічну індустрію

Річард Фейнман колись сказав: «Якщо ви думаєте, що розумієте квантову механіку, то ви не розумієте квантової механіки». Хоча це може бути правдою, це не означає, що ми не можемо спробувати. Ведь де б ми були без нашої вродженої цікавості?

Щоб зрозуміти силу невідомого, ми розберемося у ключових концепціях, що стоять за квантова фізика – саме дві з них (фух!). Все це досить абстрактно, але це хороша новина для нас, тому що вам не потрібно бути лауреатом Нобелівської премії з теоретичної фізики, щоб зрозуміти, що відбувається. А що відбувається? Ну, давайте дізнаємось.

Засади

Ми почнемо з короткого мисленнєвого експерименту. Австрійський фізик Ервін Шредінгер хоче, щоб ви уявили собі кота в закритій коробці. До цього все добре. Тепер уявіть собі ампулу з смертельною речовиною всередині коробки. Що сталося з котом? Ми не можемо знати точно. Отже, доки ситуація не буде спостережена, тобто доки ми не відкриємо коробку, кіт є одночасно живим і мертвим, або, скоріше, знаходиться у суперпозиції станів. Цей знаменитий мисленнєвий експеримент називається парadoxом Шредінгера, і він ідеально пояснює одну з двох основних явищ квантової механіки.

Суперпозиція диктує, що, як і наш улюблений кіт, частинка існує у всіх можливих станах аж до моменту її вимірювання. «Спостереження» частинки негайно знищує її квантові властивості, і ось, вона знову підкоряється законам класичної механіки.

Тепер все стане ще складніше, але не лякайтесь – навіть Ейнштейн був здивований цією ідеєю. Описана самим Ейнштейном як «жахлива дія на відстані», квантове заплутування – це зв’язок між парою частинок – фізична взаємодія, яка призводить до їх спільного стану (або його відсутності, якщо йти за суперпозицією).

Квантове заплутування диктує, що зміна стану однієї заплутаної частинки викликає негайну, передбачувану реакцію іншої частинки. Щоб поставити все на свої місця, давайте кинемо два заплутані монети в повітря. Потім давайте спостерігатимемо результат. Чи впала перша монета на голову? Тоді вимірювання другої монети повинно бути хвостом. Інакше кажучи, коли спостерігаються заплутані частинки, вони суперечать один одному. Не треба боятися, проте – квантове заплутування не так поширене. Поки що, принаймні.

Ймовірний герой

«Який сенс усіх цих знань, якщо я не можу ними скористатися?», – можете запитати ви. Хай би яке було ваше питання, ймовірно, квантовий комп’ютер має відповідь. У цифровому комп’ютері система потребує бітів, щоб збільшити свою обчислювальну потужність. Отже, щоб подвоїти обчислювальну потужність, ви просто подвоїте кількість бітів – це зовсім не так у квантових комп’ютерах.

Квантовий комп’ютер використовує кубіти, базову одиницю квантової інформації, щоб забезпечити обчислювальні можливості, які не мають собі рівних навіть у найпотужніших суперкомп’ютерах. Як? Суперпозиційні кубіти можуть одночасно розглядати безліч потенційних результатів (або станів, щоб бути більш послідовним з попередніми розділами). На відміну від цього, цифровий комп’ютер може виконувати лише одне обчислення за раз. Крім того, завдяки квантовому заплутуванню ми можемо експоненціально збільшити потужність квантового комп’ютера, особливо при порівнянні з ефективністю традиційних бітів у цифровій машині. Щоб візуалізувати масштаб, подумайте про величезну кількість обчислювальної потужності, яку забезпечує кожен кубіт, а потім подвійте її.

Нічого ідеального

Але є одна проблема – навіть найменші вібрації та зміни температури, які вчені називають «шумом», можуть призвести до того, що квантові властивості зникнуть. Хоча ви не можете спостерігати це в реальному часі, те, що ви відчуєте, – це обчислювальна помилка. Зникнення квантових властивостей називається декогеренцією, і це одна з найбільших проблем технологій, що використовують квантову механіку.

У ідеальному сценарії квантовий процесор повністю ізольований від свого оточення. Для цього вчені використовують спеціальні холодильники, відомі як кріогенічні холодильники. Ці кріогенічні холодильники холодніші за міжзоряний простір, і вони дозволяють нашому квантовому процесору проводити електрику з майже нульовим опором. Це називається надпровідним станом, і він робить квантові комп’ютери надзвичайно ефективними. В результаті наш квантовий процесор потребує лише частини енергії, яку потребував би цифровий процесор, генеруючи експоненціально більшу потужність і значно менше тепла в процесі. У ідеальному сценарії, принаймні.

Новий світ можливостей

Прогнозування погоди, фінансове та молекулярне моделювання, фізика частинок… можливості застосування квантових обчислень величезні та перспективні.

Все ж, одна з найспокусливіших перспектив, можливо, полягає у квантовому штучному інтелекті. Це тому, що квантові системи відмінно підходять для розрахунку ймовірностей багатьох можливих варіантів – їхня здатність надавати безперервну зворотню зв’язок інтелектуальному програмному забезпеченню не має собі рівних на сучасному ринку. Оцінена вплив величезна, охоплюючи галузі та індустрії – від штучного інтелекту в автомобільній промисловості до медичних досліджень. Lockheed Martin (LMT ), американський аерокосмічний гігант, був одним з перших, хто зрозумів користь від цього, і вже зараз використовує свій квантовий комп’ютер для тестування програмного забезпечення автопілота. Зробіть собі заметку.

Принципи квантової механіки також використовуються для вирішення проблем у сфері кібербезпеки. RSA (Рівест-Шамір-Адлеман) криптографія, одна з найпоширеніших методів шифрування даних, ґрунтується на складності факторизації (дуже) великих простих чисел. Хоча це працює з традиційними комп’ютерами, які не особливо ефективні у вирішенні багатофакторних проблем, квантові комп’ютери легко розбивають ці шифрування завдяки своїй унікальній здатності розраховувати численні результати одночасно.

Теоретично, квантове розподілення ключів вирішує цю проблему за допомогою системи шифрування, заснованої на суперпозиції. Уявіть, що ви намагаєтеся передати конфіденційну інформацію другові. Для цього ви створюєте ключ шифрування за допомогою кубітів, який потім передається одержувачеві через оптичний кабель. Якщо закодовані кубіти були спостережені третьою стороною, ви та ваш друг будете повідомлені про несподівану помилку в роботі. Однак, щоб максимально використати переваги КРК, ключі шифрування повинні зберігати свої квантові властивості в усіх випадках. Легше сказати, ніж зробити.

Жерсть для думки

Це не закінчується тут. Найяскравіші розуми у світі постійно намагаються використовувати заплутування як засіб квантової комунікації. Наразі китайські дослідники змогли успішно передати заплутані пари фотонів через свій супутник Micius на рекордну відстань у 745 миль. Це хороша новина. Погана новина полягає в тому, що з 6 мільйонів заплутаних фотонів, які передаються кожну секунду, лише одна пара вижила під час подорожі (дякую, декогеренція). Незважаючи на це, це досягнення показує, який тип інфраструктури ми можемо використовувати в майбутньому для захисту квантових мереж.

Квантові перегони також бачили недавній пробив у дослідженнях від QuTech, дослідницького центру в Університеті Дельфта в Нідерландах – їхня квантовий система працює при температурі на один градус вищій за абсолютний нуль (-273 градуси за Цельсієм).

Хоча ці досягнення можуть здатися вам і мені незначними, правда полягає в тому, що, спроба за спробою, такі революційні дослідження привносять нас на крок ближче до технологій завтрашнього дня. Одне залишається незмінним, проте, і це є яскравою реальністю, що ті, хто зможе успішно скористатися силою квантової механіки, матимуть верховенство над рештою світу. Як ви думаєте, вони її використають?