LIVE в 81 август 2017

Примерен текст

Квантови заплитания, квантови завихряния, квантови ефекти, квантова механика...- всичко това напоследък е гореща тема. През миналата година Нобеловата награда за физика беше присъдена на трима учени - Ален Аспе (Франция), Джон Клаусър (САЩ) и Антон Цайлингер (Австрия), работещи в тази област. Още по-вълнуващо е, че това не са само академични изследвания, тъй като квантовите компютри започват да намират приложения в реалния свят. Но разбират ли обикновените хора за какво става дума всъщност?

Какво е квантовата механика?

Ричард Фейнман, друг физик, носител на Нобелова награда, направи изявлението: „Ако мислите, че разбирате квантовата механика, вие не разбирате квантовата механика.“ Това може да не е много полезна отправна точка, но донякъде обяснява мистериозната природа на квантовата физика и как тя до голяма степен се основава на вероятности и предположения.

Квантовата механика е в основата на много съвременни технологии. Принципите й действат на наноскопично ниво на атоми и субатомни частици и тя изследва начините, по които се държат те. Отчита вероятностите обекти да се намират на различни места без никаква сигурност къде се намират в действителност.

Научихме за класическата физика през 18-и и 19-и век от хора като сър Исак Нютон. Усвоихме всичко за силите на макро ниво. Когато квантовата механика се появява за първи път в началото на 20-ти век, тя се занимава с научни проблеми, които все още остават без отговор.

Разбирането на поведението на наночастиците не е лесно, но ще се опитаме да дадем кратки дефиниции на някои от основните ключовите понятия в тази сфера:

Квантово заплитане – в квантово състояние всички частици в група са математически свързани и не могат да бъдат описани независимо от другите частици;
Квантова суперпозиция – две квантови вълни могат да се комбинират, за да образуват ново квантово състояние;
Квантово тунелиране – квантовите вълни могат да преминават през бариери и да продължат да функционират от другата страна, въпреки че може да са с намалена кондиция;
Квантовата механика разглежда главно вълните, но те често могат да бъдат описани като частици.

Чували ли сте за котката на Шрьодингер

Това е идеята, че ако има възможност една кутия да съдържа котка, тогава преди да отворите кутията, за да проверите този факт, кутията едновременно съдържа и не съдържа котка. Квантовата технология се основава на този парадокс. Ервин Шрьодингер е квантов физик от времето на Алберт Айнщайн.

Квантовите компютри

От времето на квантовата тежка артилерия като Айнщайн, компютрите и ИТ са играли много по-голяма роля в реалния свят. Това ни отвежда до квантовите изчисления, които използват силата на квантовата механика, за да ни донесат компютри, които значително превъзхождат средния персонален компютър.

През 1994 г. е използван квантов алгоритъм за пробиване на RSA криптиране, широко използвано за сигурно предаване на данни. След това през 1998 г. е създаден първият квантов компютър.

Обикновените компютри могат да представят информация в 0 или 1 бита. Квантовите компютри имат кубити, които също могат да бъдат 0 и 1, но поради суперпозиция те могат да бъдат в квантово състояние 0 и 1 едновременно. Вероятността за резултата зависи от квантовото състояние на кубита непосредствено преди измерването. Резултатът е, че квантовите компютри имат много по-голям капацитет и могат да изпълняват многоизмерни квантови алгоритми.

Квантов компютър само с 10 кубита може да съхранява 1,024 стойности, докато класическият компютър с 16 000 бита би могъл да опише тази конфигурация. Но ако квантовият компютър има 500 кубита, битовете, необходими на един класически компютър, биха надхвърлили броя на атомите в познатата вселена.

Тъй като кубитите могат да съхраняват множество стойности, те могат да изпълняват някои задачи много по-бързо, отколкото е било възможно преди - квантово предимство. То прераства в квантово надмощие – крайъгълен камък, постигнат за първи път през 2019 г. от Sycamore - квантовия процесор на Google с 54 кубита.

Знаем, че тази технология има възможности, значително превъзхождащи възможностите на познатите ни компютри. Квантовите компютри могат потенциално да надхвърлят изчислителната мощност на суперкомпютрите, но не са много практични. Засега.

Процесорите на квантовите компютри са приблизително със същия размер като тези на класическите компютри, но трябва да се поддържат при температура от -196,1°C, което изисква голяма охладителна система. Това се постига с помощта на суперфлуиди, които създават свръхпроводници. Това температурно ограничение обаче е инженерно предизвикателство, което може да бъде преодоляно в бъдеще.

В света засега има само 11 квантови компютъра според данни от 2018 г., въпреки че никой не може да е сигурен колко биха могли да се използват в засекретени правителствени програми.

Това ни води до следващия ни въпрос.

Знаем, че учените просто обожават тази вълнуваща и потенциално мощна технология. Но какво означава това за всички нас, непрофесионалистите лаици? Някой всъщност може ли да направи нещо с квантовите изчисления?

Приложения в реалния свят

Ясно е, че има много научни изследвания в сектора квантовата технология. Това е особено важно в области като химическо и биологично инженерство, чието развитие ще окаже огромно влияние върху медицината, наред с други области.

Когато беше открито, че квантовите компютри потенциално могат да пробият усъвършенствани системи за криптиране, правителствата по света доста се заинтересуваха от тях. Водещи световни сили са инвестирали в квантови програми, които може да са необходими или за криптиране на отбранителни системи на високо ниво, или за декриптиране на вражеските системи. Информацията за тези програми често е класифицирана.

С квантовите компютри финансовите услуги могат да прибавят към методите си допълнителната скорост и изчислителна мощност. Това може да се използва за финансово моделиране или ценообразуване на сложни активи. JP Morgan Chase инвестира в Quantum Network на Microsoft, докато Goldman Sachs гледа към бъдещето в квантовите алгоритми.

Инженерните проблеми в различни индустрии могат да бъдат решени чрез квантово изчисление. Например да се открие нов процес за органично производство на амонячен тор, тъй като сегашният допринася до голяма степен за емисиите на парникови газове. Друго зелено квантово решение е подобряването на слънчевата технология и британската софтуерна компания Phasecraft работи с Бристолския университет за повишаване на ефективността на слънчевите клетки и батериите.

Mercedes-Benz обедини усилията си с IBM по въпроса какво може да донесе квантовата технология на електрическите автомобили, като например създаването на по-ефективни батерийни системи.

Квантовите изчисления са зараждаща се технология, която ще е огромна част от нашето бъдеще.

Все още сме далеч от използването на квантовата технология в ежедневието си, но има нарастващ интерес към възможностите, които експоненциално превъзхождат сегашните ни форми на изчисление. И да, иде квантовата революция.