Kuantum bilgi teknolojisinin lideri Lu Chaoyang: Kuantum bilgi çağında, Çin'in bir virajda geçmesi gerekiyor
Konuşma Konuşmacısı Oluştur: Lu Chaoyang
-
Şangay Araştırma Enstitüsü Profesörü, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi
-
Doktora Öğretmeni
Kuantum fiziğinin kurucusu Niels Bohr bir keresinde şöyle demişti: Kuantum fiziği konusunda kafası karışık değilse, onu anlamamalıdır.
Dolayısıyla bugün raporumu dinledikten sonra herkes kendini çok net hissediyorsa ve hiç kafası karışmıyorsa, o zaman yanlış olmalı; herkes dinledikten sonra kafası karışmışsa veya düşünmeyi tetikliyorsa, o zaman doğru.
Kuantum dünyasına girin
Kuantum fiziği bizim en ileri bilimimizdir.Anlaşılmasının çok zor olmasının nedeni, 1 metrelik bir masa ve 1 mm saç gibi günlük hayatta gördüğümüz ölçeklere çok aşina olmamızdır.
Ancak kuantum fiziği araştırmalarının amacı, insan saçı ölçeğinden on milyonlarca, hatta yüz milyonlarca kez daha küçüktür. Bu nedenle, sıradan sezgilerimizden çok farklıdır.
kuantum Aslında fiziksel bir kavramdır, madde ve enerjinin en küçük ayrık birimi ve çok küçük bir fiziksel niceliktir. Örneğin mekan üzerinde dört tane ışıldak var.Işığı görüyoruz.Işığı küçük parçalara ayırıyoruz. Buna Foton .
Fotonlar çok küçüktür. 40 watt'lık bir ampul bir saniyede trilyonlarca foton yayabilir, bu da fotonların 10 üzeri 20 gücüdür. Aynı zamanda maddenin temel birimi bir atom veya moleküldür ve ölçeği 10 eksi 10 metredir, bu da nanometreden on kat daha küçüktür.
Bu yüzden çok merak ediyoruz, yani foton elbette çok küçük, ama bunda tuhaf bir şey var mı? Aşağıda, size bu kadar küçük bir kuantum dünyasında ne garip fenomenlerin olduğunu göstermek için çok basit bir deney kullanacağız.
Bowling fenomeni
Çoğumuz bowling oynadık ve şimdi çok küçük bir değişiklik yaptık, şeritte birkaç engel oluşturduk, alışılagelmiş anlayışa göre, bowling sadece bu iki yarıktan geçebilir. Pek çok kez oynadıktan sonra, arka duvardaki bowling topu çarpma işaretlerinin sadece iki yarığın hizalandığı iki alanda göründüğünü keşfettik.
Şimdi bu bowling topunu saçtan yüz milyonlarca kat daha küçük olana kadar küçültelim ve bir elektrona çevirelim ve sonra da bahsettiğimiz oyunu tekrarlayalım. Aynı şeyi defalarca tekrarladıktan sonra çok garip bir fenomen keşfettik.
Örneğin arka duvarda sadece iki şerit vardı ama şimdi çok sayıda şerit var ve ortada tıkanmış olan yer elektronik bowling toplarının en çok göründüğü yer haline geldi, anlaşılması çok zor.
Klasik fizik perspektifinden bakıldığında top ya soldaki yarıktan ya da sağdan geçer. Ama kullanırsak Kuantum mekaniği Bunu anlamak için, bu kadar küçük bir kuantum dünyasında, bu elektronik bowling topunun davranışı biraz Monkey Kingin klon tekniğine benziyor.
Top atıldıktan sonra avatar gibidir, aynı anda iki yarıktan geçer ve sonra ortasında su dalgası gibi bir girişim saçağı oluşturur. Kuantum dünyası ile her gün gördüğümüz arasındaki çok önemli bir fark, kuantumun aynı anda birkaç durumun var olmasına izin verebilmesidir. Sol ve sağ tarafların, kırmızı çizginin ve mavi çizginin aynı anda var olmasına izin vermektir.
Pek çok insan merak ediyor olabilir.Bovling topunun soldan mı yoksa sağdan mı geçtiğini görmek için gözlerimizle bakarsak ne olur?
Bu sırada çok garip bir fenomen daha olacak, yani bowling topunun aynı anda hem soldan hem de sağdan geçtiği olgusu ortadan kalkar ve klasik fiziğe uygun bir duruma geri döner. Yani bu İkinci çok önemli fark Kuantum dünyasında, uyguladığımız bilgi ve gözlemler de fiziksel sistemi etkileyecektir.
Bu kadar küçük bir oyundan bahsettikten sonra, herkes onu çok tuhaf bulmalı. Aslında sadece herkes düşünmekle kalmıyor, dünyadaki çoğu fizikçi de öyle düşünüyor.
"Schrödinger'in rulosu"
Örneğin, Schrödinger, ünlü "Schrödinger'in kedisi" Deney. Deney şuna benzer: bir kutuda bir kedi ve az miktarda radyoaktif madde var. Bundan sonra, radyoaktif maddenin çürümesi ve kediyi öldürmek için zehirli gaz salması olasılığı% 50, radyoaktif malzemenin çürümemesi ve kedinin hayatta kalması ihtimali% 50'dir.
Bu kedi kuantum durumda olabilirse, o zaman Hem ölü hem diri olabilir . Bir süre önce İnternette "Schrödingers Go" adlı bir "Schrödingers Cat" kopyası vardı (Bir kız sana gitmeni söylediğinde, sana gitmeni mi yoksa gelip sana sarılmanı mı söylediğini bilemezsiniz. Şu anda, yapmalısınız. Kucaklayan ve yuvarlanan kuantum mekaniği durumunda).
Bu örnek daha popüler bir açıklama olabilir, neden kuantumun aynı anda ayırt edemediği iki durumda olabileceği, ancak çok doğru olmasa da.
Daha önce bahsettiğim şey, yalnızca bir parçacık ve bir kuantum durumudur. İki tane varsa, o zaman çok garip başka bir fenomen ortaya çıkar, buna denir Kuantum dolanıklığı .
Einstein, kuantum dolanıklığını "uzak yerler arasındaki garip bir etkileşim" olarak adlandırdı Bu ne anlama geliyor? Diyelim ki bir şekilde kuantum dolanmasına iki zarı hazırladığımızı ve bir tanesini Avrupa'ya ya da daha uzağa götürdüğümü varsayalım, o zaman benimle diğer zar arasında büyük bir mesafe var. .
Sonra bu zarı Avrupa'ya atıyorum, sayı 1 ise diğer zar numarası 1 olmalı. 3 atarsam diğeri 3, 6 atarsam diğeri de 6 olur. Yani aralarında çok garip bir etkileşim var.
İkinci kuantum devrimi
Geçtiğimiz 30 yıl içinde, lazerlerin icadı gibi deneysel fizikteki bazı önemli ilerlemeler sayesinde, artık laboratuvarda bir atom ve bir fotonu gerçekten izole edebiliyoruz. Sonra, tıpkı bir senfoni orkestrasını yönetir gibi onları manipüle edebiliriz. Mesela bu atom keman çalsın ve o atom davul çalsın.
Bu teknolojiler, bir süre önce Avrupa Birliği tarafından yayınlanan beyaz bültende iddia edilenleri tetikledi. "İkinci Kuantum Devrimi" . Getirdiği bazı yeni teknolojiler, mevcut klasik bilgi teknolojisinin bazı darboğazlarını aşabilir. Örneğin bilgi güvenliği, ultra hızlı bilgisayarlar vb.
Daha sonra, kuantum fiziğinin ilkelerine dayanan birkaç teknolojiyi kısaca açıklayacağım.
İlki kuantum iletişim teknolojisidir. Bugün kullandığımız fiber optik ağ, yüz milyonlarca foton ve yüz milyonlarca elektrona sahip olduğu için gerçekten dinlenebilir ve durumunu dinlemek için her zaman biraz bölebilirsiniz.
Kuantum en küçük birimdir, bu yüzden bölünemez, bilgi aktarımı için tek bir foton kullanırsak, o zaman kimse bir noktayı kulak misafiri olmak için ondan ayıramaz. Teoride, kuantum güvenli iletişim, koşulsuz olarak güvenli bir iletişim yöntemidir.
Bazıları, o zaman bölmeyeceğim, kanalda ölçeceğim diyor ama bu da çalışmıyor. Çünkü herhangi bir gözlem kaçınılmaz olarak fiziksel durumu etkileyecektir. Kuantum fiziğinin bu temel ilkeleri, birisi kulak misafiri olduğunda keşfedilmesini ve dolayısıyla bilgi güvenliğini sağlamasını sağlar.
Şu anda kuantum iletişimi alanında, ait olduğum Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Pan Jianwei'nin ekibi dünyada lider konumdadır. Birkaç yıl önce, İngiliz "Nature" dergisi, Çin'in on yıl önce mütevazı bir ülkeden, Avrupa ve Kuzey Amerika'yı yöneten bir dünya güç merkezine geliştirdiği bir makale yazdı.
Geçen yıl 16 Ağustos'ta Çin, dünyanın ilk deneysel kuantum iletişim uydusunu başlattı (Telegate | Çin neden bir kuantum iletişim uydusu edinmede başı çekti?), İngiliz "Nature" dergisi tarafından "2016 Uluslararası Büyük Bilimsel Etkinlikler" ve Kuzey Amerika dışında da seçilen tek teknoloji olan "Scientific American" tarafından "2016'da Dünyayı Değiştiren En İyi On Yenilikçi Teknoloji" seçilmiştir. .
Şu anda kuantum iletişimimiz altyapı geliştirme aşamasındadır.Gelecekte daha iyi büyümek için temeli oluşturmalıyız. Tıpkı Big Brother'ın pek popüler olmadığı gibi, baz istasyonu ağını kurmamız gerekiyor.
Örneğin, Pekin'den Şangay'a kadar temel ağ kuruldu Önümüzdeki 3 ila 5 yıl içinde, gelecek nesli oluşturmak için dünyayı ve dünyayı bütünleştiren bir kuantum iletişim ağı geliştirebiliriz. "Kuantum İnternet" , Ulusal güvenliği korumak için kullanılır ve ayrıca mobil bankacılık ödemesi, çevrimiçi bankacılık gibi bazı uygulamalardan da yararlanabilir. Bu, kuantum fiziğinin bize getirebileceği en pratik özelliktir.
Kuantum hesaplamanın değeri
Herkesin büyük ilgisini çekebilecek ikinci teknolojinin adı Kuantum hesaplama . Hepimiz temel hesaplama biriminin bit veya 0 veya 1 olarak adlandırıldığını biliyoruz ve bir seferde yalnızca bir durumda, 1 veya 0 olabilir.
Bununla birlikte, kuantum aslında aynı anda birden çok durumda var olabilir. Yani soldaki yarığı 0, sağdaki yarığı 1 olarak tanımlıyorum. Mantıksal bit olarak 0 ve 1 ile aynı anda var olabilir. Yani bir kübit aynı anda iki duruma sahip olabilir. Daha sonra iki kübit varsa aynı anda 4 duruma sahip olabilir; 10'a sahipsem aynı anda 1024 duruma sahip olabilir.
Aynı zamanda böyle bir kayıt varsa, o zaman f (X) fonksiyonunun X'ini aynı anda 0'dan 1024'e kadar hesaplayabilirim.Bazıları bunun harika olmadığını düşünür ama bu paralel bir hesaplamadır. Bununla birlikte, bu kübitin sayısı çok büyüdüğünde, örneğin 50 kübit olduğunda, 2'nin 50. güç durumu aynı anda var olur ki bu çok büyük bir sayıdır.
2 üzeri 50. kuvvet ne kadar? İşte size bir örnek: Bir A4 kağıdı 50 defa katladıktan sonra kalınlığı yaklaşık olarak 0.1 mm çarpı 2 üzeri 50'ye eşittir. Bilgisayarınıza tıkladığınızda, bu kalınlığın aslında dünyadan güneşe olan mesafeyi aştığını göreceksiniz.
Kesin olarak, bu kadar hızlandırılmış paralel hesaplamanın getirdiği hızlanma nedeniyle, hesaplanması yüzbinlerce yıl süren problemler gibi şu anda hesaplanması çok zor olan birçok problem, bir kuantum bilgisayar inşa edildikten birkaç saniye sonra hesaplanabilir. Monkey King'in az önce bahsettiğimiz klon tekniği de bu gerçeği açıklamak için kullanılabilir.
Örneğin 100 çıkışlı bir labirentten çıkmak istiyorsak, sadece bir kişi varsa, bu çıkışı bulmak için ortalama 500.000 denemeye ihtiyacınız olabilir. Ama 50 kübitiniz varsa, kendinizi bir milyon klona dönüştürebilirsiniz ve çıkışı çok hızlı bir şekilde bulabilirsiniz Bu, kuantum hesaplamanın temel bir prensibidir.
Kübit sayısı 50'ye ulaştığında, hesaplama gücü mevcut süper bilgisayarı aşabilir.Bu sayı 300'e ulaştığında, tüm evrenimizdeki toplam parçacık sayısını aşabilir.
Bu nedenle, bu yönlerde kuantum hesaplamanın rolünü oynamayı umuyoruz. Gelecekte, genel amaçlı kuantum bilgisayarların geliştirilmesinden önce, önemli ekonomik ve sosyal değeri olan bazı belirli sorunları çözmek için özel amaçlar için tasarlanmış bazı kuantum simülatörleri geliştirebiliriz.
Örneğin, yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik. Hala yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin mekanizmasını anlamıyoruz. Bu mekanizmayı çözdükten sonra, birçok sorunu çözebilecek bazı yeni süper iletken malzemeleri yönlendirmek ve tasarlamak için onu kullanabiliriz. Enerji sorunları.
Diğer bir örnek, verimli nitrojen kürlemedir. Çoğumuz ilkokul ders kitaplarında soya fasulyesi rizobisinin havadaki nitrojeni nitrojenli gübreye dönüştürebileceğini öğrendik. Ancak böyle bir kuantum kimya süreci için, onu net bir şekilde hesaplamanın bir yolu yok. Şu anda dünya elektriğinin% 10'unu azotlu gübre yapmak için kullanıyoruz. Kuantum bilgisayarlar bu sorunu net bir şekilde açıklamak için kullanılabilirse, bu büyük enerji tüketimi tasarruf edilebilir.
Genel olarak, Çin şu anda kuantum iletişiminde lider konumdadır; Google ve IBM gibi şirketlerin müdahalesi nedeniyle kuantum hesaplamada Çin şu anda belirli noktalarda kuantum hesaplamada uluslararası düzeyde lider konumdadır.
Kuantum bilgi çağındaki sürprizler
Herkes kuantum mekaniğinin çok soğuk olduğunu düşünse de aslında kuantum mekaniği hayatımızı, ekonomimizi ve sosyal görünüşümüzü her yönden değiştirdi. Örneğin, kuantum mekaniği olmadan, transistörlere sahip olamayız, bilgisayarlar, lazerler, lazer iletişim ağları, nükleer manyetik rezonans, sabit diskler için dev manyetorezistans ve yüksek sıcaklık süper iletkenleri olamaz.
Önceki 100 yılda kuantum mekaniği bize birçok heyecan verici sürpriz getirdi. Önümüzdeki 100 yıl içinde kuantum mekaniğinin de bize daha heyecan verici sürprizler getireceğine inanmak için iyi nedenlerimiz var.
Kuantum bilgi çağının Çin'e kartları yeniden dağıtma ve köşelerde sollama fırsatı vereceğini umuyoruz.Tüm ülkenin gücünü entegre edebilir ve kuantum bilgisi gibi yeni bir alanda dünyada nispeten lider bir konuma ulaşabiliriz.
hepinize teşekkür ederim!
Oluşturuldu: En yaratıcı fikirleri keşfetmek için tiyatro tarzı çevrimdışı konuşma platformu
