Кванттық физика мен кванттық компьютер туралы бүгінде жиі айтылғанымен, көпшілікке әлі де түсініксіз ұғым. Бұл мақалада оқырманға қарапайым тілмен кванттық құбылыстардың не екенін түсіндіреміз.
Квант бәрін өзгертеді, адам өміріне төңкеріс жасайды
Кванттық компьютер қазіргі әлемдегі ең қуатты суперкомпьютер шеше алмайтын есептерді бірнеше секундта оңай шешеді. Фото forbes.com сайтынан алынды. Авторлығы: IBM
1,752
оқылды

Сәуірде BBC News кванттық физикадағы жаңалықтар адамзат өмірінде қандай революция жасайтыны туралы материал жариялады. Aikyn.kz осы материалдың негізінде соңғы ғасырда ең маңызды жаңалығы болуы тиіс – кванттық компьютердің мүмкіндіктерін түсіндіреді.

Кванттық компьютер – деректерді өңдеу және алмасу үшін кванттық суперпозиция мен кванттық шиеленісу сияқты кванттық механика құбылыстарын пайдаланатын есептеу құрылғысы. Фото BBC News сайтынан алынды. Авторлығы: Getty Images

Технологиялық жаңашылдықты қазақ қоғамына түсіндіруге, оларды насихаттауға арналған ағартушылық-танымдық мазмұндағы материалдарды Aikyn.kz сайтында жиі жазып жүрміз. Соның бірі бүгін кванттық физикадағы құбылыстарды түсіндіруге арналады.

Кванттық компьютер – деректерді өңдеу және алмасу үшін кванттық суперпозиция мен кванттық шатысу сияқты кванттық механика құбылыстарын пайдаланатын есептеу құрылғысы.

Бұл бірден түсінуге күрделі ұғымдар. Ал қарапайым тілмен айтсақ, осындай кванттық компьютерлер қазіргі әлемдегі ең қуатты суперкомпьютерлер шеше алмайтын есептерді бірнеше секундта оңай шешеді. Міне, кванттық компьютердің мүмкіндіктері қандай!!! 

Сондықтан IBM, Microsoft, Google және Intel сияқты IT саласының алпауыттары кванттық компьютерлерді өздерінің құпия зертханаларында жасауда.

Лиам Холл:«Менің өткен өмірім ақылға қонбайтын өзгерістерге толы. Мен әрқашан дизельдік қозғалтқыштың механигі болғым келді. Бұл мені физикамен, содан кейін кванттық физикамен таныстырды». Фото BBC News сайтынан алынды. Авторлығы: CSIRO

Лиам Холлдың кәсіби мансабы оны дизельді қозғалтқыштардың механигінен кванттық биотехнологияға дейін жеткізді. Қолдарында мотор майының іздері бар Аустралия фермасында өскен механик Лиам Холлдың кәсіби бағытында соңғы жылдары кенет техникалық бетбұрыс болған. Қазір ол Аустралияның ұлттық ғылым агенттігі CSIRO-да кванттық биотехнологияны басқарады. 

«Менің өткен өмірім ақылға қонбайтын өзгерістерге толы. Мен әрқашан дизельдік қозғалтқыштың механигі болғым келді. Сондықтан университеттің инженерлік мамандығына түстім. Бұл мені физикамен, содан кейін кванттық физикамен таныстырды. Менің бұл ғылыми сапарымды «америкалық төбешіктер» аттракционы жақсы сипаттай алар еді», – дейді ол.

Оның командасы пациенттердегі темір деңгейін тексеру үшін өлшемі шамамен 50 нанометр (адам шашынан шамамен 1 000 есе жіңішке) алмаздың кішкентай бөліктерінен жасалған микросенсорлармен тәжірибе жасау арқылы диагностикалық технологияларды әзірлеуде.

Қазіргі әдістер ферритин деп аталатын ақуызды, дененің темірді сақтау механизмін бақылайды. Ферритинді бақылау темір деңгейін өлшеудің жақсы тәсілі болғанымен, ақуыздағы темірдің нақты деңгейін өлшеу дәлірек болар еді. Мұны істеудің бір жолы – ағзада темір тудыратын кішкентай магнит өрістерін өлшеу. Бірақ бұл тәсілде бір үлкен мәселе бар.

«[Магнит өрісі] өте кішкентай және оны дәстүрлі магнитометрлер немесе микроскоптар арқылы өлшеу мүмкін емес», – деп түсіндіреді доктор Холл.

Дегенмен доктор Холлдың наноөлшемді кванттық сенсорлары осы кішкентай өрістерді анықтап, өлшей алады. Болашақта бұл технология кез келген нақты ауруға, соның ішінде қатерлі ісік ауруын көрсететін белгілі бір гормондарды немесе ақуыздарды бақылау арқылы ауруды ерте әрі дәл болжауға жол ашады.

«Кванттық жүйелердің артықшылығы олардың көмегімен жоғары сезімталдық пен оңай химиялық сәйкестендіруге әлдеқайда оңай қол жеткізуге болатындығында», – дейді Лиам Холл.

Ұлыбритания, Қытай, АҚШ және басқа елдер кванттық механиканың ерекше қасиеттерін пайдалануға ұмтылуда. Фото livescience.com сайтынан алынды. Авторлығы: Getty Images / Bpawesome

Доктор Холлдың ізденістері кванттық технологияларды ілгерілету жөніндегі жаһандық қозғалыстың бір ғана мысалы. Ұлыбритания, Қытай, АҚШ және басқа елдер кванттық механиканың ерекше қасиеттерін пайдалануға ұмтылуда.

CSIRO бас ғалымы профессор Бронвин Фокс: «Квант – бұл Аустралияның ең перспективалы өсу мүмкіндіктерінің бірі, жаңа нарықтар, жаңа қосымшалар құру мүмкіндігі», – дейді.

Кванттық механика XX  ғасырдың басында табиғаттағы ең кішкентай объектілерді зерттеу нәтижесінде пайда болды. Ғалымдар оның ғалам туралы түсінігімізді кеңейтуге және күрделі мәселелерді өте жылдам шешуге әлеуеті бар деп санайды.

Квантты қолдану ауқымы өте үлкен: экология ғылымындағы жетістіктер мен декарбонизациядан бастап, киберқауіпсіздік пен жаңа дәрі-дәрмектер жасауға дейін. «Көміртекті жейтін» және оны атмосферадан аластататып тастайтын молекулалар, автомобильдерді қуаттандыруға арналған кванттық батареялар, шығарындыларды азайтуға арналған ұшақтар және көлік кептелісін азайту үшін көлік логистикасы болуы мүмкін.

Кванттық суперпозицияны пайдалану өте күрделі есептеулерді орындауға мүмкіндік береді. Иллюстрация thespaceway.info сайтынан алынды

Кванттық бөлшектер бір уақытта бірнеше суперпозицияда болуы мүмкін, сонымен қатар кванттық бөлшектер бір-бірімен шиеленісіп байланыса алады. Иллюстрация shedevrum.ai сайтынан алынды. Авторы: Андрей М.

Кванттық зерттеулердің тағы бір мақсаты – деректерді сақтау және өңдеу үшін субатомдық бөлшектерді пайдалану. Дәстүрлі есептеулер әдетте биттерді (нөлдер мен бірліктер) пайдаланса, кванттық компьютерлер нөлдер, бірліктер немесе екеуінің комбинациясынан тұратын кубиттерді пайдаланады.

Дәл осы жерде көпшілікке түсініксіз көрінетін кванттық бөлшектердің бір қасиеті туралы айту керек: бұл бөлшектер бір уақытта бірнеше күйде болуы мүмкін (оны суперпозиция деп атайды), сонымен қатар кванттық бөлшектер бір-бірімен шиеленісіп байланыса алады (немесе шатасуы).

«Кванттық суперпозицияның осы принципін шиеленісу деп аталатын басқа кванттық құбылыспен бірге пайдалану өте күрделі есептеулерді орындауға мүмкіндік береді. Мұндай есептеулерді қазіргі біз қолданатын компьютерлердің көмегімен жүздеген жылдар бойы шығаруға тура келер еді. Бұл әлемді өзгерте алатын таңғажайып есептеулердің мүмкіндігін ашады», – деп түсіндіреді Жаңа Оңтүстік Уэльс университетінің профессоры Эндрю Дзурак.

Covid-19-дың жаңа штамын немесе басқа қорқынышты пандемияны елестетіп көріңіз. Оның молекулярлық құрылымын стандартты эксперименттік әдістер арқылы жасауға болады. Содан кейін кванттық компьютерді қолданып, осы вирусқа шабуыл жасап, оны жойып жіберетін молекуланы қалай жасау керектігін анықтау өте жеңіл болады. Бұл мәселені кванттық компьютердің көмегімен алты немесе тоғыз айдың ішінде емес, бір күнде шешу мүмкін. 

Профессор Дэвид Авшалом: «Кванттық жасанды интеллект біздің команда үшін зерттеудің негізгі бағыттарының бірі болып саналады. Кванттық есептеулер бізге зор есептеу қуатын береді». Фото BBC News сайтынан алынды. Авторлығы: University of Chicago

Кванттық интернет болуы мүмкін бе? Әбден мүмкін. Деректерді оптикалық талшықтар арқылы жарық бөлшектерін пайдаланып жіберуге болады, бұл құпия тыңдау немесе ақпараттық жүйелерді бұзуды іс жүзінде мүмкін емес жасайды. АҚШ-тың Чикаго университетінде ең ұзын кванттық желілердің бірі салынды. Оның ұзындығы шамамен 200 шақырым және оны ұзарту жалғасуда.

«Біз жерасты талшықтарының көптеген мильдері арқылы қауіпсіз кванттық хабарламаларды жібере алатын қашықтықты өсірдік. Кванттық жасанды интеллект біздің команда үшін зерттеудің негізгі бағыттарының бірі болып саналады. Машиналық оқыту және жасанды интеллект өте үлкен есептеу әлеуетін талап етеді. Ал кванттық есептеулер бізге зор есептеу қуатын берер еді», – дейді Чикаго университетінің профессоры Дэвид Авшалом.

Алда бұл зерттеуді тынымсыз ізденістер күтуде, бірақ болашақ бізге тез жақындап келе жатқан сияқты.

Болашақтың кванттық жүйелерінен кейін мына әзіл видеодан бүгінгі өмірдің шынайылығын көру де қызықты болатын шығар:

Сараптама, зерттеу мақала, күнделікті өзекті ақпаратты «Айқынның» TELEGRAM арнасынан табасыз.