Shohini Ghose
4,552,125 views • 10:04

Zagrajmy w grę. Wyobraźcie sobie, że jesteście w Las Vegas, w kasynie, i postanawiacie zagrać na ich komputerze, w coś jak pasjans lub szachy. Komputer może wykonywać ruchy, tak jak człowiek. To jest rzucanie monetą. Najpierw wypada orzeł i komputer ma pierwszy ruch. Może odwrócić monetę lub nie, ale tego nie widzisz. Kolej na twój ruch. Też możesz odwrócić monetę lub nie, czego twój przeciwnik, komputer, nie zobaczy. Na koniec komputer może znów odwrócić monetę. Po tych trzech rundach pokazana jest moneta. Jeśli jest orzeł - wygrywa komputer, jeśli reszka - wygrywasz ty.

Jest to prosta gra i jeśli każdy gra uczciwie oraz moneta jest uczciwa, wtedy masz 50% szans na wygraną. Aby to potwierdzić, poprosiłam moich studentów, by w to zagrali na naszych komputerach. Po wielu próbach wskaźnik wygranej wyniósł mniej więcej 50%, zgodnie z oczekiwaniem. Brzmi to jak nudna gra, prawda?

Ale gdyby zagrać w nią na komputerze kwantowym? Kasyna w Las Vegas nie mają komputerów kwantowych z tego, co wiem, jednak IBM stworzył działający komputer kwantowy. Oto on.

Ale co to jest komputer kwantowy? Fizyka kwantowa opisuje zachowanie atomów oraz podstawowych cząstek, takich jak elektrony i fotony. Komputer kwantowy kontroluje zachowanie tych cząstek, ale zupełnie inaczej niż zwykłe komputery. Komputer kwantowy nie jest tylko zaawansowaną wersją obecnych komputerów, tak jak żarówka nie jest jedynie silniejszą świecą. Nie można zbudować żarówki przez tworzenie coraz lepszych świec. Żarówka to inna technologia, oparta na głębszym rozumieniu naukowym. Podobnie komputer kwantowy jest nowym typem urządzenia, opartym na fizyce kwantowej, i tak, jak żarówka zmieniła społeczeństwo, komputery kwantowe mają potencjał wpłynąć na wiele aspektów naszego życia, w tym potrzeby bezpieczeństwa, służbę zdrowia, a nawet internet.

Firmy na całym świecie pracują nad budową tych urządzeń. Aby zobaczyć, co ich tak ekscytuje, zagrajmy w naszą grę na komputerze kwantowym. Do komputera kwantowego IBM mogę zalogować się tutaj, co oznacza, że mogę grać na odległość, tak jak i wy. Może pamiętacie emaila ode mnie, z TED, w którym proszę o decyzję: odwrócić monetę, czy nie w takiej grze. Prosiliśmy o wybór między kółkiem a kwadratem. Nie wiedzieliście o tym, kółko znaczyło "odwrócić", a kwadrat "zostawić". Dostaliśmy 372 odpowiedzi. Dziękuję. Oznacza to, że możemy 372 razy zagrać z komputerem kwantowym, używając waszych decyzji. Jest to dość szybka gra, więc mogę od razu pokazać wyniki.

Niestety, zbyt dobrze wam nie poszło.

(Śmiech)

Komputer kwantowy wygrał prawie każdą grę. Kilka z nich przegrał z powodu operacyjnych błędów.

(Śmiech)

Jak udało mu się tyle razy wygrać? Wydaje się, że to magia lub oszustwo, ale w istocie chodzi o działanie fizyki kwantowej. A działa to w ten sposób. Zwykły komputer symuluje orła lub reszkę jako bit, zero lub jedynkę, czyli prąd włączany lub wyłączany w czipie. Komputer kwantowy jest zupełnie inny. Bit kwantowy ma bardziej płynną, niebinarną tożsamość. Może istnieć w superpozycji lub w kombinacji zera z jedynką, gdzie zero lub jedynka to kwestia prawdopodobieństwa. Innymi słowy, plasuje się na skali. Na przykład może być zerem na 70%, a jedynką na 30%, albo 80-20% lub 60-40%. Możliwości jest nieskończenie wiele. Kluczowe jest to, że trzeba zrezygnować z dokładnych wartości zera i jedynki, i dopuścić niepewność. Podczas gry komputer kwantowy tworzy płynną kombinację orłów i reszek, zer i jedynek, że niezależnie od ruchu gracza, odwrócenia monety czy nie, superpozycja pozostaje nienaruszona. To przypomina mieszanie dwóch płynów. Czy je mieszamy czy nie, płyny pozostaną mieszanką, tyle że w ostatnim ruchu komputer kwantowy może "odmieszać" zera i jedynki, perfekcyjnie odzyskując orły, tak, że zawsze przegrywacie.

(Śmiech)

Jeśli wydaje się wam to dziwne - macie rację. Zwykłe monety nie są kombinacjami orłów i reszek. Nie doświadczamy takiej płynnej kwantowej rzeczywistości w życiu codziennym. Więc jeżeli kwantum was dezorientuje, to znaczy, że zaczynacie chwytać.

(Śmiech)

Nawet bez doświadczania osobliwości kwantum widać jego efekty. Sami widzieliście dane. Komputer kwantowy wygrał, gdyż okiełznał superpozycję i niepewność, a te dwie właściwości są potężne nie tylko, by wygrywać rzuty monetą, lecz również by budować przyszłe technologie kwantowe. Podam wam trzy przykłady potencjalnych zastosowań, które mogą zmienić wam życie.

Po pierwsze, kwantowej niepewności można użyć do wykonania prywatnych kluczy przy szyfrowaniu wysyłanych wiadomości, żeby hakerzy nie mogli skopiować klucza dzięki niepewności kwantowej. Musieliby złamać prawa fizyki kwantowej, by zhakować klucz. Takie szyfry nie do złamania testowane są już przez banki i inne instytucje na całym świecie. Obecnie na świecie używamy ponad 17 miliardów połączonych urządzeń. Wyobraźcie sobie wpływ szyfrowania kwantowego. Po drugie, technologie kwantowe zmieniłyby służbę zdrowia i medycynę.

Na przykład, projektowanie i analiza molekuł dla rozwoju leków jest obecnie trudnym zagadnieniem, gdyż dokładne opisanie i obliczenie wszystkich właściwości kwantowych wszystkich atomów w cząsteczce jest obliczeniowo trudnym zadaniem, nawet dla naszych superkomputerów. Komputer kwantowy lepiej sobie z tym poradzi, gdyż używa takich samych właściwości kwantowych, co cząsteczka, którą symuluje. W przyszłości symulacje kwantowe rozwoju leków mogą prowadzić do leczenia chorób takich jak choroba Alzheimera, dotykająca tysiące osób.

Po trzecie, moje ulubione zastosowanie kwantowe to teleportacja informacji z miejsca na miejsce bez fizycznego jej przesyłania. Brzmi to jak fantastyka, choć jest to możliwe, gdyż ta płynność cząsteczek kwantowych może zaplątać się w czasie i przestrzeni tak, że zmiana w jednej cząsteczce może wpłynąć na inną, a to tworzy kanał dla teleportacji. Demonstrowano to już w laboratoriach i może to być częścią kwantowego internetu przyszłości. Nie mamy jeszcze takiej sieci, ale mój zespół pracuje nad tymi możliwościami, symulując sieć kwantową na komputerze kwantowym. Zaprojektowaliśmy i wdrożyliśmy ciekawe nowe protokoły, jak teleportacja między użytkownikami sieci oraz sprawne przesyłanie danych, a nawet bezpieczne głosowanie.

Dla mnie fizyka kwantowa to dobra zabawa. Bardzo to polecam.

(Śmiech)

Stajemy się odkrywcami w kwantowej krainie czarów. Kto wie, jakie zastosowania jeszcze odkryjemy. Musimy stąpać ostrożnie i odpowiedzialnie, budując naszą kwantową przyszłość. Dla mnie osobiście fizyka kwantowa jest narzędziem nie tylko do budowy komputerów kwantowych. Komputery kwantowe są dla mnie narzędziem badania tajemnic natury i odsłony ukrytego świata poza naszym doświadczeniem. Jakie to niezwykłe, że my, ludzie, ze stosunkowo ograniczonym dostępem do wszechświata, możemy widzieć daleko poza horyzontem, używając tylko wyobraźni i pomysłowości. A wszechświat wynagradza nas, pokazując, jak bardzo jest ciekawy i zaskakujący.

Przyszłość jest zasadniczo niepewna, a dla mnie na pewno jest to ekscytujące.

Dziękuję.

(Brawa)