Dđồng tử mèo và thuật toán cơ học lượng tử năm 2024

Richard Feynman đã từng nói, “Nếu bạn nghĩ rằng bạn hiểu cơ học lượng tử, thì bạn không hiểu cơ học lượng tử.” Mặc dù điều đó có thể đúng, nhưng điều đó chắc chắn không có nghĩa là chúng ta không thể thử. Rốt cuộc, chúng ta sẽ ở đâu nếu không có trí tò mò bẩm sinh?

Để hiểu sức mạnh của cái chưa biết, chúng ta sẽ gỡ rối các khái niệm chính đằng sau vật lý lượng tử - chính xác là hai trong số chúng (phew!). Tất cả đều khá trừu tượng, thực sự, nhưng đó là tin tốt cho chúng tôi, bởi vì bạn không cần phải là nhà vật lý lý thuyết đoạt giải Nobel để hiểu điều gì đang xảy ra. Và những gì đang xảy ra? Vâng, chúng ta hãy tìm hiểu.

Đặt nền móng

Chúng ta sẽ bắt đầu với một thí nghiệm suy nghĩ ngắn gọn. Nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger muốn bạn tưởng tượng một con mèo trong chiếc hộp kín. Càng xa càng tốt. Bây giờ hãy tưởng tượng một lọ chứa chất gây chết người 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, hay nói một cách khoa học hơn, nó ở trạng thái chồng chất. Thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng này được gọi là Nghịch lý con mèo của Schrödinger, và nó giải thích hoàn hảo một trong hai hiện tượng chính của cơ học lượng tử.

Sự chồng chất quy định rằng, giống như con mèo yêu quý của chúng ta, một hạt tồn tại ở mọi trạng thái có thể cho đến thời điểm nó được đo. “Quan sát” hạt ngay lập tức phá hủy các tính chất lượng tử của nó, và voilà, nó một lần nữa bị chi phối bởi các quy luật của cơ học cổ điển.

Bây giờ, mọi thứ sắp trở nên phức tạp hơn, nhưng đừng nản lòng - ngay cả Einstein cũng bị ý tưởng này làm cho kinh ngạc. Được chính người đàn ông mô tả là “hành động ma quái ở khoảng cách xa”, sự vướng víu là mối liên hệ giữa một cặp hạt — một tương tác vật lý dẫn đến trạng thái chung của chúng (hoặc thiếu trạng thái đó, nếu chúng ta đi theo sự chồng chập).

Sự vướng víu quy định rằng sự thay đổi trạng thái của một hạt bị vướng víu sẽ kích hoạt phản ứng tức thì, có thể đoán trước được từ hạt còn lại. Để hiểu rõ hơn, chúng ta hãy tung hai đồng xu vướng víu lên không trung. Sau đó, hãy quan sát kết quả. Đồng xu đầu tiên có rơi trúng mặt ngửa không? Sau đó, số đo của đồng xu còn lại phải là những câu chuyện. Nói cách khác, khi được quan sát, các hạt bị vướng víu đối lập với các phép đo của nhau. Tuy nhiên, bạn không cần phải lo sợ — tình trạng vướng víu không phổ biến đến thế. Chưa, đó là.

Anh hùng có khả năng

“Tất cả những kiến ​​thức này để làm gì nếu tôi không thể sử dụng nó?”, Bạn có thể hỏi. Dù câu hỏi của bạn là gì, rất có thể là một Máy tính lượng tử có câu trả lời. Trong máy tính kỹ thuật số, hệ thống yêu cầu bit để tăng khả năng xử lý. Do đó, để tăng gấp đôi sức mạnh xử lý, bạn chỉ cần nhân đôi số bit - điều này hoàn toàn không giống với máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử sử dụng qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, để cung cấp khả năng xử lý mà ngay cả những siêu máy tính mạnh nhất thế giới cũng không thể so sánh được. Làm sao? Các qubit xếp chồng lên nhau có thể đồng thời giải quyết một số kết quả tiềm năng (hoặc trạng thái, để nhất quán hơn với các phân đoạn trước đây của chúng tôi). Trong khi đó, một máy tính kỹ thuật số chỉ có thể xử lý một phép tính tại một thời điểm. Hơn nữa, thông qua sự vướng víu, chúng ta có thể khuếch đại sức mạnh của máy tính lượng tử theo cấp số nhân, đặc biệt khi so sánh điều này với hiệu quả của các bit truyền thống trong máy kỹ thuật số. Để hình dung quy mô, hãy xem xét lượng sức mạnh xử lý tuyệt đối mà mỗi qubit cung cấp và bây giờ là nhân đôi nó.

Không có gì là hoàn hảo

Nhưng có một nhược điểm - 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 phân rã và cuối cùng, biến mất hoàn toàn. Mặc dù bạn không thể quan sát điều này trong thời gian thực, nhưng những gì bạn gặp phải là lỗi tính toán. Sự phân rã của các tính chất lượng tử được gọi là sự mất kết hợp, và nó 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 bị cô lập hoàn toàn từ môi trường xung quanh nó. Để làm như vậy, các nhà khoa học sử dụng tủ lạnh chuyên dụng, được gọi là tủ lạnh đông lạnh. Những chiếc tủ lạnh đông lạnh này lạnh hơn không gian giữa các vì sao và chúng cho phép bộ xử lý lượng tử của chúng ta dẫn điện mà hầu như không có điện trở. Đây được gọi là trạng thái siêu dẫn và nó làm cho máy tính lượng tử cực kỳ hiệu quả. Do đó, bộ xử lý lượng tử của chúng tôi yêu cầu một phần năng lượng mà bộ xử lý kỹ thuật số sẽ sử dụng, tạo ra nhiều năng lượng hơn theo cấp số nhân và tỏa nhiệt ít hơn đáng kể trong quy trình. Trong một kịch bản lý tưởng, đó là.

Một thế giới khả năng (mới)

Dự báo thời tiết, mô hình tài chính và phân tử, vật lý hạt… khả năng ứng dụng cho tính toán lượng tử đều to lớn và thịnh vượng.

Tuy nhiên, một trong những triển vọng hấp dẫn nhất có lẽ là trí tuệ nhân tạo lượng tử. Điều này là do các hệ thống lượng tử vượt trội trong việc tính toán xác suất cho nhiều lựa chọn khả thi — khả năng cung cấp phản hồi liên tục cho phần mềm thông minh của chúng là vô song 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 AI trong ô tô tất cả các cách để nghiên cứu y học. Lockheed Martin, gã khổng lồ hàng không vũ trụ của Mỹ, đã nhanh chóng nhận ra những lợi ích và đã dẫn đầu bằng ví dụ với máy tính lượng tử của mình, sử dụng nó để thử nghiệm phần mềm lái tự động. Ghi chép.

Các nguyên tắc của cơ học lượng tử cũng được sử dụng để giải quyết các vấn đề trong an ninh mạng. Mật mã RSA (Rivest-Shamir-Adleman), một trong những phương pháp mã hóa dữ liệu phổ biến trên thế giới, phụ thuộc vào độ khó của việc phân tích các số nguyên tố (rất) lớn. Mặc dù điều này có thể hoạt động với các máy tính truyền thống, vốn không đặc biệt hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề đa yếu tố, nhưng máy tính lượng tử sẽ dễ dàng bẻ khóa các mã hóa này nhờ khả năng độc đáo của chúng để tính toán nhiều kết quả cùng một lúc.

Về mặt lý thuyết, Phân phối khóa lượng tử xử lý vấn đề này bằng một hệ thống mã hóa dựa trên chồng chất. Hãy tưởng tượng bạn đang cố chuyển tiếp thông tin nhạy cảm cho một người bạn. Để làm như vậy, bạn tạo một khóa mã hóa bằng cách sử dụng qubit, sau đó khóa này sẽ được gửi đến người nhận qua cáp quang. Nếu bên thứ ba quan sát thấy các qubit được mã hóa, thì cả bạn và bạn của bạn sẽ được thông báo về một lỗi không mong muốn trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, để tối đa hóa lợi ích của QKD, các khóa mã hóa sẽ phải luôn duy trì các thuộc tính lượng tử của chúng. Nói dễ hơn làm.

Thực phẩm cho tư tưởng

Nó không dừng lại ở đó. Những bộ óc thông minh nhất trên toàn cầu không ngừng cố gắng tận dụng sự vướng víu như một phương thức truyền thông lượng tử. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã có thể chiếu thành công các cặp photon vướng víu qua Vệ tinh Micius hơn một kỷ lục giữ 745 dặm. Đó là tin tốt. Tin xấu là, trong số 6 triệu photon vướng víu phát ra mỗi giây, chỉ có một cặp sống sót sau hành trình (nhờ có sự phân rã). Tuy nhiên, một kỳ tích đáng kinh ngạc, thí nghiệm này vạch ra loại cơ sở hạ tầng mà chúng ta có thể sử dụng trong tương lai để bảo vệ các mạng lượng tử.

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

Mặc dù những thành tựu này có vẻ không đáng kể đối với bạn và tôi, nhưng sự thật là, hết lần thử này đến lần thử khác, nghiên cứu đột phá như vậy đang đưa chúng ta tiến một bước gần hơn tới công nghệ của ngày mai. Tuy nhiên, có một điều vẫn không thay đổi, đó là một thực tế rõ ràng rằng những người quản lý để khai thác thành công sức mạnh của cơ học lượng tử sẽ có quyền tối cao đối với phần còn lại của thế giới. Bạn nghĩ họ sẽ sử dụng nó như thế nào?