10 incredibili implicazioni della tecnologia quantistica

Il consenso all'interno della comunità scientifica è che il primo computer quantistico pienamente funzionante sarà pronto in circa dieci anni, un evento così significativo che molti esperti chiedono un conto alla rovescia per Y2Q: "anni al quantum".

La maggior parte delle persone, almeno in qualche modo familiare con le idee di base della meccanica quantistica, identifica il campo con una "stranezza" generale che persino i fisici quantici più esperti trovano sconcertante. La mente è piena di visioni di persone che camminano attraverso i muri, i viaggi nel tempo e l'incertezza generale che minaccia di sradicare le nostre percezioni più radicate della verità e della realtà. Le misurazioni standard diventano prive di significato.

Dato l'enorme potenziale potenziale della tecnologia quantistica, dovrebbe essere ovvio che coloro che possiedono questa tecnologia in futuro avranno un grande vantaggio rispetto a quelli che non lo fanno - nel campo della politica, della finanza, della sicurezza e altro. Aziende come Amazon, Microsoft e Intel stanno cercando con ansia di implementare la "crittografia sicura ai minimi termini", dal momento che queste aziende (per non parlare dei governi nazionali) sono preoccupate che gli hacker che utilizzano la potenza quantistica possano significare il crollo delle loro aziende.

E siccome possiamo dire con una grande sicurezza che il calcolo quantistico sarà presto qui per rimanere, vale la pena capire cosa significa esattamente per il futuro, e quali incredibili nuove (ea volte spaventose) possibilità daranno alla tecnologia quantistica.

Ecco dieci implicazioni incredibili della tecnologia quantistica.

10 Un aumento esponenziale della velocità computazionale

In primo luogo, una (molto) breve introduzione: il computer su cui state leggendo opera sulla stessa tecnologia fondamentale che praticamente ogni computer al mondo attualmente utilizza. È un mondo finito, binario, in cui i dati sono codificati in bit, comunemente indicati come 0 o 1, che possono esistere solo in uno dei due stati finiti (acceso o spento). Il calcolo quantistico, d'altra parte, utilizza "qubit", che possono esistere in un numero praticamente illimitato di stati simultaneamente. (Parlando in generale, n i qubit possono esistere in 2 ^n diversi stati contemporaneamente.)

Se un computer "normale" viene alimentato con una sequenza di trenta 0 e 1, ci sono circa un miliardo di possibili valori di quella sequenza - e un computer che usa bit regolari dovrebbe passare attraverso ciascuna combinazione individualmente, richiedendo una grande quantità di tempo e di memoria . Un computer quantistico, d'altra parte, sarebbe in grado di "vedere" tutte le un miliardo di sequenze contemporaneamente, riducendo drasticamente il tempo e gli sforzi computazionali.

In effetti, i computer quantistici saranno in grado di completare in pochi secondi, calcoli che richiederebbero i migliori supercomputer di oggi per migliaia di anni.

9 Scoprire farmaci nuovi e più efficaci

Il sequenziamento del DNA è avvenuto grazie in parte a forti aumenti del potere computazionale, come previsto dalla Legge di Moore. Ora stiamo per entrare in un'era completamente nuova di assistenza sanitaria grazie all'informatica quantistica.

Mentre sul mercato esiste un numero sorprendentemente elevato di stupefacenti farmaci, la velocità con cui possono essere prodotti, così come la loro efficacia nel trattamento di disturbi specifici, è sorprendentemente limitata. Anche con i recenti aumenti di velocità e precisione, questi guadagni sono puramente incrementali a causa delle limitazioni dei computer standard.

Con un organismo complesso come il corpo umano, ci sono innumerevoli modi in cui un farmaco può reagire al suo ambiente. Aggiungete a ciò l'illimitatezza della diversità genetica a livello molecolare, ei risultati potenziali per i trattamenti farmacologici non specifici saliranno alle stelle a miliardi.

Solo i computer quantistici avranno la possibilità di esaminare ogni possibile scenario riguardante l'interazione farmacologica e presentare non solo il miglior piano d'azione possibile ma anche le possibilità di successo di un individuo con un particolare farmaco, attraverso una combinazione di sequenziamento del DNA più accurato e accelerato e un altro comprensione rigorosa del ripiegamento delle proteine.

Queste stesse innovazioni, in particolare per quanto riguarda il ripiegamento delle proteine, porteranno inevitabilmente a una migliore comprensione di come la vita funzioni in generale, il che porterà successivamente a trattamenti molto più precisi, farmaci migliori e risultati migliori.

8Limitless Security

Oltre a facilitare grandi passi in avanti nella medicina, la tecnologia quantistica offre anche la possibilità di barriere di sicurezza informatica praticamente infrangibili e di comunicazioni a lunga distanza super sicure.

All'interno del mondo della stranezza quantistica, esiste un fenomeno noto come "entanglement quantistico", in cui due o più particelle sono misteriosamente connesse, indipendentemente dal mezzo che esiste tra loro e senza alcuna segnalazione identificabile. Questo è ciò che Einstein chiamava notoriamente "azione spettrale a distanza". E poiché non esiste un mezzo tangibile attraverso il quale queste due particelle comunicano, i segnali codificati usando particelle entangled sarebbero impossibili da intercettare. La scienza necessaria per questa tecnologia è ancora sottosviluppata; tuttavia, tale comunicazione avrebbe un enorme impatto sulla sicurezza privata e nazionale.

Una velocità di elaborazione drasticamente aumentata darebbe anche una mano a un aumento della sicurezza informatica, dal momento che la potenza di elaborazione esponenzialmente maggiore dei computer quantici consentirà loro di resistere anche ai metodi di hacking più sofisticati, attraverso la crittografia quantistica. "Il computer quantistico sarà sicuramente applicato ovunque utilizziamo l'apprendimento automatico, il cloud computing, l'analisi dei dati", afferma Kevin Curran, ricercatore di cybersecurity all'Università dell'Ulster."In sicurezza che [significa] rilevamento di intrusioni, alla ricerca di modelli nei dati e forme più sofisticate di calcolo parallelo." I computer quantici sarebbero essenzialmente in grado di anticipare le "mosse" di un computer hacker di milioni, forse miliardi di passaggi avanti.

7 Incisione senza limiti

Naturalmente, con un grande potere derivano grandi responsabilità, e lo stesso potere quantico che consentirà di portare la crittografia a nuovi livelli potrebbe potenzialmente consentire agli hacker di svelare senza sforzo le misure di sicurezza più elaborate messe in atto da macchine relativamente primitive.

Le tecniche crittografiche odierne più elaborate tendono a essere basate su problemi matematici straordinariamente difficili. E mentre questi problemi sono sufficienti a scoraggiare la maggior parte dei supercomputer binari, potrebbero essere facilmente decifrati da un computer quantistico. La capacità di un computer quantistico di trovare pattern in enormi set di dati con incredibile velocità consentirà loro di calcolare numeri elevati (un'impresa che rimane forse la più grande barriera per gli hacker), che i computer di oggi possono fare solo provando opzione dopo opzione finché uno "si adatta". "Con i qubit e la sovrapposizione quantistica, tutte le possibili opzioni potrebbero essere testate simultaneamente.

In effetti, ci sono voluti circa due anni e centinaia di computer che lavorano simultaneamente per sbloccare una singola istanza dell'algoritmo RSA-768 (che ha due fattori primi e richiede una chiave lunga settecentosessantotto). Un computer quantistico sarebbe in grado di completare lo stesso compito in una frazione di secondo.

6 Orologi atomici ottimizzati e rilevamento di oggetti

Gli orologi atomici non sono solo usati per assistere nel cronometraggio quotidiano. Sono componenti essenziali di gran parte della tecnologia odierna, compresi i sistemi GPS e la tecnologia delle comunicazioni.

Di solito non si pensa agli orologi atomici come se avessero bisogno di una messa a punto più precisa. Gli orologi atomici più precisi operano sfruttando le oscillazioni delle microonde emesse dagli elettroni quando cambiano i livelli di energia. E gli atomi utilizzati negli orologi sono raffreddati quasi fino allo zero assoluto, consentendo tempi più lunghi per la sonda a microonde e successivamente maggiore precisione.

I più recenti orologi atomici che utilizzano la moderna tecnologia quantistica, tuttavia, saranno così precisi da poter essere utilizzati come rivelatori di oggetti ultra-precisi, in grado di rilevare minuscole variazioni di gravità, campi magnetici, campi elettrici, forza, movimento, temperatura e altri fenomeni questo naturalmente fluttua in presenza di materia. Queste modifiche sarebbero quindi riflesse dai cambiamenti nel tempo. (Ricorda che spazio, materia e tempo sono inestricabilmente connessi).

Questo rilevamento fine-sintonizzato aiuterà l'identificazione e la rimozione di oggetti sotterranei, rintracciando sottomarini molto al di sotto della superficie dell'oceano e renderebbe anche la navigazione e la guida automatica molto più accurate, poiché il software sarebbe in grado di distinguere meglio tra le auto e gli altri oggetti.

Come David Delpy, il capo del Consiglio consultivo scientifico di difesa nel ministero della Difesa britannico afferma: "Non puoi proteggere la gravità".

5 mercati finanziari

Nel mondo interconnesso della finanza, la velocità è della massima importanza. E un numero sorprendentemente elevato di problemi affrontati dall'industria finanziaria (molti dei quali derivanti da una mancanza di velocità di calcolo) rimangono irrisolvibili. Persino il più potente computer "normale" che utilizza lo 0 e l'1 non è in grado di prevedere in modo approssimativo futuri eventi finanziari ed economici, e non è in grado di risolvere problemi molto complessi relativi al prezzo delle opzioni in un mercato in rapida evoluzione e in continua evoluzione.

Ad esempio, molte stock option richiedono derivati ​​complessi che sono path-dependent, il che significa che il pagamento dell'opzione è in definitiva determinato dal percorso del prezzo dell'attività sottostante. Tentare di mappare e anticipare ogni possibile "percorso" per un'opzione è troppo travolgente di un compito per le macchine di oggi. Tuttavia, data la loro velocità e agilità, i computer quantistici sarebbero teoricamente in grado di identificare un'opzione di stock con un prezzo errato e sfruttarla per il guadagno del suo proprietario prima che il mercato si spostasse in modo significativo.

Questo tipo di potere potrebbe, naturalmente, provocare il caos sul mercato e distorcere fortemente il favore verso la minoranza di aziende che possiedono e gestiscono supercomputer, a spese dei singoli commercianti e imprese che non sono in grado di acquistare tale tecnologia.

4Mappare la mente umana

Per tutti i progressi straordinari che hanno avuto luogo nel regno della neuroscienza e della cognizione negli ultimi decenni, gli scienziati sanno ancora sorprendentemente poco su come funziona la mente. Una cosa che sappiamo, tuttavia, è che il cervello umano è una delle entità più complesse dell'universo conosciuto e che per capire veramente tutto ciò che può offrire richiederà un nuovo tipo di potere computazionale.

Il cervello umano è composto da circa 86 miliardi di neuroni, cellule che comunicano piccole quantità di informazioni sparando rapidamente cariche elettriche. E mentre il sottofondo elettrico del cervello umano è ragionevolmente ben compreso, la mente rimane un mistero. "La sfida", dice il neurobiologo prof. Rafael Yuste della Columbia University, "è esattamente come passare da un substrato fisico di cellule collegate all'interno di questo organo, al nostro mondo mentale, ai nostri pensieri, ai nostri ricordi, ai nostri sentimenti".

E nel loro tentativo di comprendere la mente, i neuroscienziati hanno fatto affidamento sull'analogia di un computer, poiché il cervello trasforma dati sensoriali e input in output relativamente prevedibili. E quale modo migliore per capire il funzionamento di un computer rispetto a un computer?

Per il dottor Ken Hayworth, un neuroscienziato che mappa schegge di cervello di topo, "per immaginare un cervello di mosca intera ci impiegherà circa uno o due anni.L'idea di mappare un intero cervello umano con la tecnologia esistente che abbiamo oggi è semplicemente impossibile "senza il potere dell'informatica quantistica.

3Discovering Distant Planets

Non dovrebbe sorprendere che il calcolo quantistico sia estremamente utile quando si tratta di esplorazione dello spazio, che spesso richiede l'analisi di enormi serie di dati. Utilizzando processori quantici raffreddati a 20 millikelvin (vicino allo zero assoluto), i tecnici della NASA prevedono di utilizzare il calcolo quantico per risolvere problemi di ottimizzazione estremamente complessi che coinvolgono miliardi di dati.

Ad esempio, gli scienziati della NASA saranno in grado di sfruttare le minuscole fluttuazioni delle onde quantiche per rilevare differenziali di calore minuscoli e distanti emessi da avviamenti altrimenti invisibili e forse anche buchi neri.

La NASA sta già utilizzando i principi generali del calcolo quantistico per sviluppare metodi più sicuri ed efficienti di viaggio nello spazio, specialmente quando si tratta di inviare robot nello spazio. La NASA tende a pianificare le proprie missioni robotiche nello spazio con circa dieci anni di anticipo e il loro obiettivo è utilizzare l'ottimizzazione quantistica per creare una previsione molto accurata di ciò che accadrà durante la missione, al fine di anticipare ogni possibile risultato e quindi creare piani di emergenza per ciascuno (ancora, usando strategie di ottimizzazione).

Una pianificazione più accurata e accurata delle missioni robot porterà anche a un uso più efficiente della batteria, che è uno dei principali fattori limitanti quando si tratta di missioni spaziali robotiche.

2Genetics

Il completamento del Progetto genoma umano nel 2003, ha portato a una nuova era in medicina. Grazie ad una conoscenza approfondita del genoma umano, possiamo adattare trattamenti complessi in modo specifico ai bisogni specifici di una persona.

Nonostante quanto sappiamo sulla complessità del DNA umano, sappiamo ancora sorprendentemente poco sui codici DNA delle proteine.

Inserisci il calcolo quantico, che teoricamente ci permetterà di "mappare le proteine" nello stesso modo in cui mappiamo i geni. In effetti, il calcolo quantico ci consentirà anche di modellare interazioni molecolari complesse a livello atomico, che saranno preziose quando si tratta di pioniere di nuove ricerche mediche e prodotti farmaceutici. Saremo in grado di modellare oltre 20.000 proteine ​​e simulare le loro interazioni con una pletora di farmaci diversi (anche farmaci che non sono stati ancora inventati) con precisione millimetrica. L'analisi di queste interazioni (sempre aiutata dal calcolo quantistico e dagli algoritmi di ottimizzazione avanzata) ci porterà probabilmente a nuove cure per le malattie attualmente incurabili.

La velocità del calcolo quantistico aiuterà anche l'uso e l'analisi di "quantum dots" - minuscoli nanocristalli a semiconduttore di soli pochi nanometri che sono attualmente utilizzati in prima linea nel rilevamento e nel trattamento del cancro.

Inoltre, i computer quantistici potrebbero essere in grado di determinare se le mutazioni nel DNA, che si ritiene attualmente siano completamente casuali, in realtà avvengono a causa di fluttuazioni quantiche.

1Materiale di scienza e ingegneria

Va da sé che il calcolo quantico ha enormi implicazioni per i campi della scienza dei materiali e dell'ingegneria, dal momento che il potere della computazione quantistica è più adatto per le nuove scoperte a livello atomico.

Il potere del calcolo quantico consentirà l'utilizzo di modelli sempre più sofisticati che mapperanno il modo in cui le molecole si assemblano e cristallizzano per formare nuovi materiali. Tali scoperte che portano alla creazione di nuovi materiali porterebbero successivamente alla creazione di nuove strutture, con implicazioni nei settori dell'energia, del controllo dell'inquinamento e dei prodotti farmaceutici.

"Quando un ingegnere costruisce una diga o un aeroplano, la struttura viene prima progettata utilizzando computer. Questo è estremamente difficile a scala di dimensioni di molecole o atomi, che spesso si assemblano in modi non intuitivi ", spiega Graeme Day, professore di modellazione chimica presso l'Università di Southampton. "È difficile progettare a scala atomica da zero e il tasso di fallimento nella scoperta di nuovi materiali è alto. Come chimici e fisici che cercano di scoprire nuovi materiali, spesso ci sentiamo come esploratori senza mappe affidabili ".

Il calcolo quantico fornirà una mappa molto più "affidabile", consentendo agli scienziati di simulare e analizzare le interazioni atomiche con un'incredibile precisione, che a sua volta porterebbe alla creazione di materiali completamente nuovi e più efficienti, senza le prove e gli errori che inevitabilmente accompagnano tentando di costruire nuovi materiali su una scala più ampia. Ciò significa che saremo in grado di trovare e creare migliori superconduttori, magneti più potenti, migliori fonti di energia e molto altro.