Як квантова механіка змінить галузь технологій

Richard Feynman 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. Адже куди б ми були без нашої вродженої цікавості?

Щоб зрозуміти силу невідомого, ми розберемося у ключових концепціях квантової фізики – двох з них, щоб бути точним (фух!). Все це досить абстрактно, але це хороша новина для нас, тому що вам не потрібно бути Нобелівським лауреатом з теоретичної фізики, щоб зрозуміти, що відбувається. А що відбувається? Давайте дізнаємось.

Засади

Ми почнемо з короткого мисленнєвого експерименту. Австрійський фізик Ервін Шредінгер хоче, щоб ви уявили кота в закритій коробці. До цього все добре. Тепер уявіть, що у коробці знаходиться ампула з летальною речовиною. Що сталося з котом? Ми не можемо знати це з певністю. Отже, поки ситуація не буде спостережена, тобто ми не відкриємо коробку, кіт є і мертвим, і живим, або в більш наукових термінах, він перебуває у суперпозиції станів. Цей знаменитий мисленнєвий експеримент відомий як парадокс кота Шредінгера, і він досконало пояснює одну з двох основних явищ квантової механіки.

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

Тепер усе стане ще складнішим, але не лякайтесь – навіть Ейнштейн був шокований цією ідеєю. Описана самим Ейнштейном як «жахлива дія на відстані», заплутаність – це зв’язок між парою частинок – фізична взаємодія, яка призводить до їх спільного стану (або його відсутності, якщо ми йдемо за суперпозицією).

Заплутаність диктує, що зміна стану однієї заплутаної частинки викликає миттєву, передбачувану реакцію іншої частинки. Щоб поставити все на свої місця, давайте кинемо два заплутані монети в повітря. Потім спостерігайте результат. Чи впав перший монет на голову? Тоді вимірювання другої монети повинно бути хвостом. Інакше кажучи, коли спостерігаються заплутані частинки, вони суперечать одна одній свої вимірювання. Не треба боятися, проте – заплутаність не така поширена. Ще не така, тобто.

Ймовірний герой

«Який сенс усього цього знання, якщо я не можу ним користуватися?», – можете запитати ви. Як би не було ваше питання, ймовірно, квантовий комп’ютер має відповідь. У цифровому комп’ютері система вимагає бітів для збільшення його обробної потужності. Отже, щоб подвоїти обробну потужність, вам просто потрібно подвоїти кількість бітів – це зовсім не схоже на квантові комп’ютери.

Квантовий комп’ютер використовує кубіти, базову одиницю квантової інформації, щоб забезпечити обробні можливості, які не мають аналогів навіть у найпотужніших суперкомп’ютерах. Як? Суперпозиційні кубіти можуть одночасно розглядати ряд 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 заплутаності ми можемо експоненціально посилити потужність квантового комп’ютера, особливо при порівнянні цього з ефективністю традиційних бітів у цифровій машині. Щоб візуалізувати масштаб, розгляньте величезну кількість обробної потужності, яку забезпечує кожен кубіт, і тепер подвійте її.

Нічого ідеального

Але є одна проблема – навіть найменші коливання та зміни температури, які вчені називають «шумом», можуть викликати розпад квантових властивостей і, в кінцевому підсумку, їх повне зникнення. Хоча ви не можете спостерігати це в режимі реального часу, те, що ви будете відчувати, – це обчислювальна помилка. Розпад квантових властивостей називається декогеренцією, і це одна з найбільших перешкод при створенні 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 квантому процесору проводити електрику з практично 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 більше потужності та значно менше тепла в процесі. У ідеальному сценарії, звичайно.

Новий світ можливостей

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

Все ж таки одним з найспокусливіших перспектив є, можливо, перспектива квантової штучної інтелектуальної діяльності. Це тому, що квантові системи excелюють у розрахунках ймовірностей для багатьох можливих виборів – їхня здатність забезпечувати безперервну зворотню зв’язок з інтелектуальними програмами є неперевершеною на сучасному ринку. Оцінена впливність невимовна, охоплюючи галузі та індустрії – від штучної інтелектуальної діяльності в автомобільній промисловості до медичних досліджень. Lockheed Martin, американський аерокосмічний гігант, швидко усвідомив вигоди та вже веде за прикладом зі своїм квантovým комп’ютером, використовуючи його для тестування програмного забезпечення автопілота. Зробіть нотатки.

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

Теоретично, квантова розподілена система ключів вирішує цю проблему за допомогою системи шифрування на основі суперпозиції. Уявіть, що ви намагаєтеся передати конфіденційну інформацію другу. Для цього ви створюєте ключ шифрування за допомогою кубітів, які потім надсилаються одержувачеві через оптичний кабель. Якщо зашифровані кубіти були спостережені третьою стороною, ви та ваш друг будете повідомлені про несподівану помилку в операції. Однак, щоб максимізувати вигоди від QKD, ключі шифрування повинні зберігати свої квантові властивості в усіх випадках. Легше сказати, ніж зробити.

Джерело для роздуму

Це не зупиняється тут. Найяскравіші розуми у світі постійно намагаються використовувати заплутаність як режим 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 в подорожі (дякую, декогеренція). Незважаючи на це, це експеримент показує, який тип інфраструктури ми можемо використовувати в майбутньому для захисту квантових мереж.

Квантова гонка також побачила недавній пробив у розвитку від QuTech, дослідницького центру в TU Delft у Нідерландах – їхня квантова система працює при температурі понад один градус тепліше абсолютного нуля (-273 градуси Цельсія).

Хоча ці досягнення можуть здатися вам і мені незначними, правда полягає в тому, що, спроба за спробою, такі революційні дослідження приносять нас на крок ближче до технологій завтрашнього дня. Одна річ залишається незмінною, проте, і це є очевидною реальністю, що ті, хто зможе успішно скористатися силою квантової механіки, матимуть перевагу над рештою світу. Як ви думаєте, вони будуть нею користуватися?