_ Modelarea zorii erei cuantice

Electronii care se rotesc la dreapta și la stânga în același timp. Particule care își schimbă stările împreună, chiar dacă sunt separate de distanțe enorme. Fenomene interesante ca acestea sunt complet obișnuite în lumea fizicii cuantice. Cercetătorii de la campusul TUM Garching le folosesc pentru a construi calculatoare cuantice, senzori de înaltă sensibilitate și internetul viitorului.

„Răcim cipul la doar câteva miimi de grad peste zero absolut— mai rece decât în ​​spațiul cosmic”, spune Rudolf Gross, profesor de fizică tehnică și director științific al Institutului Walther Meissner (WMI) din campusul de cercetare Garching. El stă în fața unui dispozitiv cu aspect delicat, cu discuri de culoare aurie conectate prin cabluri: sistemul de răcire pentru un cip special care utilizează legile bizare ale fizicii cuantice.

De aproximativ douăzeci de ani, cercetătorii de la WMI a lucrat la calculatoare cuantice, o tehnologie bazată pe o revoluție științifică care a avut loc acum 100 de ani, când fizica cuantică a introdus un nou mod de a privi fizica. Astăzi servește drept fundație pentru „o nouă eră a tehnologiei”, așa cum o numește prof. Gross.

Pentru a modela această eră emergentă, cercetătorii de la Garching investighează modalități de a utiliza regulile fizicii cuantice, după cum precum și riscurile asociate și beneficiile potențiale ale tehnologiei cuantice pentru societate.

„Ne întâlnim cu fizica cuantică în fiecare zi”, spune Gross. De exemplu, când vedem un element de arzător al aragazului strălucind în roșu. În 1900, Max Planck a găsit formula pentru radiația pe care o emit corpurile de diferite temperaturi. Aceasta a însemnat că a trebuit să presupună că lumina emisă este formată din mici pachete de energie, denumite cuante. Fizica cuantică a continuat să se dezvolte în anii care au urmat, schimbând fundamental înțelegerea noastră despre microcosmos. Noile tehnologii au exploatat proprietățile speciale ale atomilor și electronilor, de exemplu, laserul, tomograful cu rezonanță magnetică și cipul computerului.

Tehnologiile acestei prime revoluții cuantice controlează cantități mari de particule. Între timp, fizicienii pot, de asemenea, manipula atomii și fotonii individuali și pot produce obiecte care respectă legile fizicii cuantice. „Astăzi putem crea sisteme cuantice personalizate”, spune Gross. Principiile fizicii cuantice, pentru care nu există până acum aproape deloc realizări tehnologice, pot fi folosite în această așa-numită a doua revoluție cuantică.

Primul dintre aceste principii este suprapunerea: un obiect cuantic poate lua stări paralele. , care se exclud reciproc în cadrul clasic de referință. De exemplu, un electron se poate roti atât la dreapta, cât și la stânga în același timp. Stările suprapuse pot, de asemenea, interacționa reciproc, similar undelor care se intersectează, care fie se întăresc una pe cealaltă, fie se anulează una pe alta – acesta este al doilea principiu: interferența cuantică.

Al treilea fenomen este încurcarea. Două particule pot avea o stare cuantică comună, chiar dacă sunt situate la kilometri distanță una de alta. De exemplu, dacă măsurăm polarizarea unui foton dat, atunci rezultatul măsurării pentru partenerul încurcat este constatat instantaneu ca și cum spațiul dintre cei doi fotoni nu ar exista.

Oricât de exotice ar suna aceste concepte. , sunt la fel de importante pentru progresul tehnic. Calculatoarele clasice au un dezavantaj: procesează informațiile secvenţial, pas la un moment dat. „Nici măcar supercalculatoarele care cresc constant mai repede nu vor putea stăpâni toate sarcinile la îndemână”, spune Gross, deoarece complexitatea unor sarcini poate crește drastic.

De exemplu, numărul de rute posibile de călătorie între mai multe orașe crește cu fiecare oprire potențială. Există șase rute posibile între patru orașe, în timp ce pentru 15 orașe numărul este de peste 40 de miliarde. Astfel, sarcina de a găsi cea mai scurtă rută devine foarte rapid covârșitor de complexă, chiar de nerezolvat, folosind calculatoare clasice într-un interval de timp viabil.

Principiul suprapunerii face sarcina mult mai ușoară pentru computerul cuantic: folosește biți cuantici, sau qubiți, care pot procesa valorile biților 0 și 1 simultan în loc de secvențial. Un număr mare de qubiți, legați între ei prin interferență cuantică sau încurcare, pot procesa un număr incredibil de mare de combinații în paralel și pot astfel rezolva sarcini foarte complexe foarte rapid.

Înapoi la WMI: Aici găsim camere cu vid de argint în care atomii de metal sunt depuși cu precizie pe plachete de siliciu de dimensiuni manuale. Straturile de metal extrem de pur care se formează pe aceste plachete formează baza pentru circuite minuscule. Când suprarăcirea face ca circuitele să fie supraconductoare, electricitatea pe care o transportă oscilează la diferite frecvențe corespunzătoare diferitelor niveluri de energie. Cele mai joase două niveluri servesc drept valori de qubiți 0 și 1. Cipul dintr-unul dintre aceste sisteme de răcire conține șase qubiți, suficienți pentru scopuri de cercetare.

Cu toate acestea, computerele cuantice au nevoie de câteva sute de qubiți pentru a rezolva probleme practice. Probleme. În plus, fiecare dintre qubiți ar trebui să poată efectua cât mai mulți pași de calcul posibil pentru a realiza algoritmi care sunt relevanți pentru scopuri practice. Dar qubiții își pierd suprapunerea foarte repede, chiar și după cea mai mică perturbare, cum ar fi defecte materiale sau electrosmog – „o problemă enormă”, spune Gross.

Procedurile complexe de corecție trebuie apoi utilizate pentru a corecta aceste erori, dar aceste procese vor necesita mii de qubiți suplimentari. Experții se așteaptă că acest lucru va dura mulți ani. Cu toate acestea, aplicațiile inițiale ar putea fi deja funcționale atunci când numărul de erori de qubit este redus, dacă nu este eliminat.

„O sursă de eroare importantă este interacțiunea reciprocă nedorită între qubiți”, spune Dr. Kirill Fedorov de la WMI. Remediul său: distribuirea qubiților pe mai multe jetoane și încurcarea lor între ele. În subsolul WMI, Fedorov indică un tub cu diametrul unei ramuri de copac care duce de la un computer cuantic la altul. Tuburile conțin conductori de microunde care pun qubiții în interacțiune reciprocă. Această abordare ar putea face posibilă ca mii de qubiți să lucreze împreună în viitor.

Eva Weig, profesor de tehnologie nano și cuantică a senzorilor, are o perspectivă diferită asupra acestei lipse de perfecțiune. „Faptul că stările cuantice reacţionează atât de sensibil la orice poate fi, de asemenea, un avantaj”, spune ea. Chiar și cele mai mici câmpuri magnetice, variațiile de presiune sau fluctuațiile de temperatură pot schimba în mod măsurabil o stare cuantică. „Acest lucru poate face senzorii mai sensibili și mai precisi și îi poate face capabili de o rezoluție spațială mai bună”, spune Weig.

Ea vrea să folosească obiecte relativ mari ca senzori cuantici mecanici. Chiar și nanostructurile constând din milioane de atomi pot fi puse în starea lor fundamentală cuantică, așa cum au demonstrat pentru prima dată cercetătorii de la Universitatea din California în 2010. Eva Weig se bazează pe descoperire. „Vreau să construiesc nanosisteme ușor de controlat pentru a măsura cele mai mici forțe.”

În laborator, fizicianul prezintă un cip realizat de echipa ei în propria cameră curată. Pe el sunt ceea ce ea numește „nano-chitare”, invizibile cu ochiul liber: corzi minuscule, de 1.000 de ori mai subțiri decât un păr uman, care vibrează la frecvență radio. Echipa lui Weig încearcă să pună aceste nano-oscilatoare într-o stare cuantică definită. Apoi șirurile ar putea fi folosite ca senzori cuantici, de exemplu pentru măsurarea forțelor existente între celulele individuale.

Profesorul de rețele cuantice Andreas Reiserer dorește să folosească un alt aspect al sistemelor cuantice pentru a facilita un internet cuantic: starea cuantică a unei particule este distrusă atunci când este măsurată, ceea ce înseamnă că informația pe care o conține poate doar fi citit o dată. Astfel, orice încercare de interceptare ar lăsa inevitabil urme în urmă. Dacă nu există astfel de urme, atunci o comunicare poate fi de încredere. „Criptografia cuantică este eficientă din punct de vedere al costurilor și poate susține deja comunicarea rezistentă la interceptare astăzi”, spune el.

Dar domeniul de aplicare al acestei tehnologii rămâne încă limitat. Potrivit lui Reiserer, elementele din fibră optică sunt ideale pentru transportul informațiilor cuantice folosind lumină. Dar sticla absoarbe o parte din lumină în fiecare kilometru pe care îl parcurge. După aproximativ 100 de kilometri, comunicarea nu mai este posibilă.

Echipa lui Reiserer efectuează, prin urmare, cercetări asupra a ceea ce se numesc repetitoare cuantice, unități de stocare pentru informații cuantice care urmează să fie distanțate de-a lungul rețelei de fibră optică aproximativ la fiecare 100 de kilometri. kilometri. Dacă este posibil să se încurce fiecare dintre repetoarele cuantice cu vecinul său imediat, atunci informațiile trimise pot fi transmise fără nicio pierdere. „În acest fel sperăm să putem traversa distanțe la scară globală”, spune Reiserer. „Atunci ar putea fi posibilă conectarea dispozitivelor de peste tot în lume pentru a forma un „supercomputer cuantic”.

Echipa din München vrea să miniaturizeze repetoarele cuantice, să le simplifice și să le facă potrivite pentru producția de masă. punându-le pe un cip de calculator. Cipul conține o fibră optică în care au fost încorporați atomi de erbiu. Acești atomi servesc ca qubiți care pot tampona informațiile. Cu toate acestea, recunoaște Reiserer, acest lucru necesită răcire până la patru grade Kelvin (adică aproximativ -269 °C) și adaugă că vor fi necesare mult mai multe cercetări înainte de a se obține viabilitatea practică.

Sosirea lui. tehnologiile cuantice în viața de zi cu zi implică și unele riscuri. Un computer cuantic corectat de erori ar putea sparge procedurile convenționale de criptare de astăzi și ar putea compromite, de exemplu, securitatea online banking. „Vestea bună este că există deja noi proceduri de criptare care sunt sigure împotriva atacurilor computerizate cuantice”, spune Urs Gasser, profesor de politici publice, guvernare și tehnologie inovatoare și șeful „Quantum Social Lab” la TUM. Gasser, un specialist în drept, adaugă că tranziția va dura câțiva ani, ceea ce face necesar să începem acum.

„Costul de a ajunge prea târziu ar putea chiar depăși costul de întârziere cu inteligența artificială”. Gasser avertizează. Quantum Social Lab se concentrează pe impactul etic, juridic și societal al tehnologiilor cuantice emergente. Aceasta include, de exemplu, întrebarea cum să integrăm oamenii în dezbaterea din jurul noii tehnologii sau dacă numai țările bogate ar trebui să își poată planifica mai bine orașele datorită optimizării cuantice.

„Al doilea cuantic. revoluția este o schimbare de paradigmă care va avea un impact social, politic și economic de anvergură”, spune prof. Gasser. „Trebuie să modelăm această revoluție în interesul societății.”

(Fluierul)