Cơ học lượng tử sẽ thay đổi ngành công nghệ như thế nào

Richard Feynman từng nói, “Nếu bạn nghĩ bạn hiểu cơ học lượng tử, thì bạn không hiểu cơ học lượng tử.” Mặc dù điều đó có thể đúng, nhưng nó không có nghĩa là chúng ta không thể thử. Sau tất cả, chúng ta sẽ ở đâu nếu không có sự tò mò bẩm sinh của mình?

Để hiểu sức mạnh của điều không biết, chúng ta sẽ giải quyết các khái niệm chính đằng sau vật lý lượng tử — hai khái niệm, để chính xác. Điều này khá trừu tượng, nhưng đó là tin tốt cho chúng ta, vì bạn không cần phải là một nhà vật lý lý thuyết đoạt giải Nobel để hiểu những gì đang xảy ra. Và những gì đang xảy ra? Hãy cùng tìm hiểu.

Đặt nền tảng

Chúng ta sẽ bắt đầu với một thí nghiệm tư duy ngắn. Nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger (SDGR ) muốn bạn tưởng tượng một con mèo trong một hộp kín. Cho đến giờ, mọi thứ vẫn ổn. Bây giờ hãy tưởng tượng một lọ chứa chất độc được đặt bên trong hộp. Điều gì đã xảy ra với con mèo? Chúng ta không thể biết chắc chắn. Do đó, cho đến khi tình huống được quan sát, tức là chúng ta mở hộp, con mèo vừa chết vừa sống, hoặc theo thuật ngữ khoa học, nó ở trong một trạng thái chồng chập. Thí nghiệm tư duy nổi tiếng này được gọi là định lý mèo của Schrödinger, và nó giải thích hoàn hảo một trong hai hiện tượng chính của cơ học lượng tử.

Trạng thái chồng chập quy định rằng, giống như con mèo yêu quý của chúng ta, một hạt tồn tại trong tất cả các trạng thái có thể cho đến khi nó được đo lường. Việc “quan sát” hạt ngay lập tức phá hủy các tính chất lượng tử của nó, và voilà, nó lại bị chi phối bởi các quy tắc của cơ học cổ điển.

Bây giờ, mọi thứ sẽ trở nên phức tạp hơn, nhưng đừng lo lắng — ngay cả Einstein cũng bị choáng váng bởi ý tưởng này. Được mô tả bởi chính ông là “hành động kỳ lạ ở khoảng cách”, sự kết nối lượng tử là một kết nối giữa một cặp hạt — một tương tác vật lý dẫn đến trạng thái chung (hoặc thiếu trạng thái, nếu chúng ta đi theo trạng thái chồng chập).

Sự kết nối lượng tử quy định rằng sự thay đổi trạng thái của một hạt kết nối lượng tử sẽ kích hoạt một phản ứng ngay lập tức và có thể dự đoán được từ hạt còn lại. Để đặt mọi thứ vào перспектив, hãy ném hai đồng xu kết nối lượng tử lên không trung. Sau đó, hãy quan sát kết quả. Đồng xu đầu tiên có phải là mặt ngửa không? Khi đó, kết quả đo lường của đồng xu còn lại phải là mặt sấp. Nói cách khác, khi quan sát, các hạt kết nối lượng tử sẽ phản chiếu lẫn nhau. Không cần phải sợ hãi, tuy nhiên — sự kết nối lượng tử không phổ biến. Chưa, ít nhất.

Anh hùng có thể

“Điểm của tất cả kiến thức này là gì nếu tôi không thể sử dụng nó?”, bạn có thể đang hỏi. Bất kể câu hỏi của bạn, có thể một máy tính lượng tử có câu trả lời. Trong một máy tính kỹ thuật số, hệ thống yêu cầu các bit để tăng khả năng xử lý của nó. Do đó, để tăng gấp đôi khả năng xử lý, bạn sẽ chỉ cần tăng gấp đôi số bit — điều này không giống như máy tính lượng tử.

Một máy tính lượng tử sử dụng các qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, để cung cấp khả năng xử lý không thể sánh được với thậm chí các siêu máy tính mạnh nhất thế giới. Làm thế nào? Các qubit chồng chập có thể xử lý đồng thời một số kết quả tiềm năng (hoặc trạng thái, để phù hợp với các đoạn trước). So sánh, một máy tính kỹ thuật số chỉ có thể thực hiện một phép tính tại một thời điểm. Hơn nữa, thông qua sự kết nối lượng tử, chúng ta có thể tăng cường khả năng xử lý của máy tính lượng tử theo cấp số nhân, đặc biệt là khi so sánh với hiệu quả của các bit truyền thống trong máy kỹ thuật số. Để hình dung quy mô, hãy xem xét số lượng lớn khả năng xử lý mà mỗi qubit cung cấp, và bây giờ hãy tăng gấp đôi nó.

Không có gì là hoàn hảo

Nhưng có một điều kiện — ngay cả những rung động và thay đổi nhiệt độ nhỏ nhất, được các nhà khoa học gọi là “tiếng ồn”, có thể khiến các tính chất lượng tử suy giảm và cuối cùng, biến mất hoàn toàn. Mặc dù bạn không thể quan sát điều này trong thời gian thực, nhưng điều bạn sẽ trải nghiệm là một lỗi tính toán. Sự suy giảm của các tính chất lượng tử được gọi là mất kết nối lượng tử, và đây là một trong những trở ngại lớn nhất khi nói đến công nghệ dựa trên cơ học lượng tử.

Trong một kịch bản lý tưởng, một bộ xử lý lượng tử hoàn toàn bị cô lập khỏi môi trường xung quanh. Để làm điều này, các nhà khoa học sử dụng các tủ lạnh chuyên dụng, được gọi là tủ lạnh cryogenic. Những tủ lạnh cryogenic này lạnh hơn không gian liên sao, và chúng cho phép bộ xử lý lượng tử của chúng ta dẫn điện với hầu như không có điện trở. Điều này được gọi là trạng thái siêu dẫn, và nó làm cho máy tính lượng tử cực kỳ hiệu quả. Kết quả là, bộ xử lý lượng tử của chúng ta chỉ cần một phần nhỏ năng lượng mà một bộ xử lý kỹ thuật số sẽ sử dụng, tạo ra nhiều năng lượng hơn và ít nhiệt hơn trong quá trình này. Trong một kịch bản lý tưởng, ít nhất.

Một thế giới mới của các khả năng

Dự báo thời tiết, mô hình hóa tài chính và phân tử, vật lý hạt… các khả năng ứng dụng cho tính toán lượng tử là vô cùng lớn và đầy hứa hẹn.

Vẫn còn, một trong những triển vọng hấp dẫn nhất có lẽ là trí tuệ nhân tạo lượng tử. Điều này là vì các hệ thống lượng tử vượt trội trong việc tính toán xác suất cho nhiều lựa chọn có thể — khả năng của chúng trong việc cung cấp phản hồi liên tục cho phần mềm thông minh là không thể sánh được trên thị trường ngày nay. Tác động ước tính là không thể đo lường được, trải rộng trên các lĩnh vực và ngành công nghiệp — từ trí tuệ nhân tạo trong ngành ô tô đến nghiên cứu y tế. Lockheed Martin (LMT ), gã khổng lồ hàng không vũ trụ Mỹ, đã nhanh chóng nhận ra lợi ích và đang dẫn đầu bằng ví dụ với máy tính lượng tử của mình, sử dụng nó để thử nghiệm phần mềm tự động lái. Hãy ghi chú.

Các nguyên tắc của cơ học lượng tử cũng được sử dụng để giải quyết các vấn đề về an ninh mạng. Mã hóa RSA (Rivest-Shamir-Adleman), một trong những phương pháp mã hóa dữ liệu phổ biến nhất thế giới, dựa trên sự khó khăn của việc phân tích các số nguyên tố lớn. Mặc dù điều này có thể hoạt động với máy tính truyền thống, không hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề đa yếu tố, máy tính lượng tử sẽ dễ dàng phá vỡ các mã hóa này nhờ khả năng tính toán đồng thời nhiều kết quả.

Theo lý thuyết, phân phối khóa lượng tử giải quyết vấn đề này bằng một hệ thống mã hóa dựa trên trạng thái chồng chập. Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng truyền thông tin nhạy cảm cho một người bạn. Để làm điều này, bạn tạo một khóa mã hóa bằng qubit, sau đó gửi nó cho người nhận qua một cáp quang. Nếu qubit mã hóa đã được quan sát bởi một bên thứ ba, cả bạn và người bạn sẽ được thông báo bởi một lỗi không mong muốn trong hoạt động. Tuy nhiên, để tối đa hóa lợi ích của phân phối khóa lượng tử, các khóa mã hóa sẽ phải duy trì các tính chất lượng tử của chúng mọi lúc. Dễ nói hơn làm.

Đồ ăn cho suy nghĩ

Điều đó không dừng lại ở đó. Những tâm trí sáng nhất trên toàn cầu đang不断 cố gắng sử dụng sự kết nối lượng tử như một phương thức truyền thông lượng tử. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã có thể truyền thành công các cặp photon kết nối lượng tử qua vệ tinh Micius của họ trong khoảng cách kỷ lục 745 dặm. Đó là tin tốt. Tin xấu là, trong số 6 triệu photon kết nối lượng tử được truyền mỗi giây, chỉ một cặp sống sót sau chuyến đi (cảm ơn mất kết nối lượng tử). Một kỳ công đáng kinh ngạc, thí nghiệm này phác thảo loại cơ sở hạ tầng chúng ta có thể sử dụng trong tương lai để bảo mật mạng lượng tử.

Cuộc đua lượng tử cũng chứng kiến một phát triển đột phá gần đây từ QuTech, một trung tâm nghiên cứu tại TU Delft ở Hà Lan — hệ thống lượng tử của họ hoạt động ở nhiệt độ cao hơn một độ so với độ không tuyệt đối (-273 độ Celsius).

Mặc dù những thành tựu này có thể seem không đáng kể đối với bạn và tôi, nhưng sự thật là, sau mỗi nỗ lực, những nghiên cứu đột phá như vậy đang đưa chúng ta gần hơn một bước đến công nghệ của ngày mai. Một điều vẫn không thay đổi, tuy nhiên, và đó là thực tế rằng những người thành công trong việc khai thác sức mạnh của cơ học lượng tử sẽ có sự thống trị đối với phần còn lại của thế giới. Bạn nghĩ họ sẽ sử dụng nó như thế nào?