양자 기술이란 무엇이며 어떤 응용이 있습니까?

수천 년 동안 인류는 자연 운행의 원리를 이해하기 위해 자연의 직관에 의존해 왔다. 비록 이런 방식은 여러 방면에서 우리를 잘못된 길로 인도했지만, 예를 들어 우리는 지구가 평평하다고 믿었던 적이 있다. 그러나 전반적으로, 우리가 얻은 진리와 지식은 오류보다 훨씬 크다. 이런 느리지만 적극적인 축적 과정에서 사람들은 운동법칙, 열역학 원리 등 지식을 점진적으로 탐구하고 총결해 생활 세계가 덜 신비로워지고 있다. 따라서 직감의 가치는 더 많이 확인되었습니다. 하지만 양자역학이 나타날 때까지요.

양자기원

아인슈타인과 볼이' 신과 우주 주사위 던지기' 로 묘사한 학과이자 물리학에서' 극미시물질' 을 연구하는 분야다. 과학자들은 전자가 파동과 입자의 이중적 특성 (파동 입자 이중성) 을 동시에 가지고 있다는 것을 발견했지만, 인간의 관측 활동만으로는 그 특성을 즉시 바꿀 수 있다는 놀라운 결론을 내렸습니다. 또한, 순간 접촉 (양자 얽힘) 할 수있는 수천 마일 떨어진 입자도 있습니다. 불확실한 광자는 동시에 두 방향으로 갈 수 있습니다 (하이젠베르크 불확실성 원리). 고양이가 죽고 산다는 이론적 가설은 말할 것도 없다 (설정악적묘) ...

앞서 언급한 바와 같이, 이러한 연구 성과는 흔히 전복적이다. 왜냐하면 그것들은 기본적으로 인간의 습관적 논리적 사고에 위배되기 때문이다. 아인슈타인은 "양자역학이 성공할수록 터무니없다" 고 감탄할 수밖에 없었다.

오늘날 아인슈타인의 견해는 한 세기 전 인류가 양자 분야에 발을 들여놓았을 때보다 더 넓은 공감을 불러일으킨 것 같다. 양자역학이 수학적으로 만점을 유지할수록 우리의 본능이 이렇게 거칠어 보인다. 사람들은 낯설고 낯설어 보이지만 양자역학은 지난 100 년 동안 인류에게 너무 많은 혁명적인 발명품을 가져왔다는 것을 인정해야 한다. 제임스 카카 리아스가' 양자역학의 기묘한 이야기' 라는 책의 머리말에서 말했듯이, "양자역학은 어디에 있는가? 너는 그 속에 빠져들지 않았니? "

이상한 양자, 이상한 트랜지스터가 아닙니다.

미국' 탐구' 잡지 인터넷판이 제시한 양자역학의 현실 세계에서의 큰 응용 중 하나는 사람들이 이미 잘 알고 있는 트랜지스터다.

1945 년 가을 미군은 세계 최초의 진공관 컴퓨터인 ENIAC 를 만드는 데 성공했다. 당시 기록에 따르면, 이 거대한 물체의 총 무게는 30 톤이 넘으며, 점유 면적은 작은 집에 가깝고, 총 건설가는 654.38+0 만 달러에 달한다. 이렇게 엄청난 투자는 진공관이라는 에너지와 공간의 소비가 컴퓨터 발전사에서 단 한 명의 나그네가 될 수밖에 없는 운명이다. (윌리엄 셰익스피어, 윈스턴, 컴퓨터명언) 당시 벨 연구소의 과학자들은 진공관을 대체할 수 있는 새로운 발명품인 트랜지스터를 개발하기 위해 박차를 가하고 있었기 때문이다.

트랜지스터의 장점은 전자 신호 증폭기와 변환기 역할을 모두 할 수 있다는 것이다. 이것은 거의 모든 현대 전자 장비의 가장 기본적인 기능 요구 사항이다. 그러나 트랜지스터의 출현은 양자 역학에 대해 먼저 감사해야 한다.

양자역학 기초 연구 분야의 돌파구로 스탠포드 대학의 연구원 유진 바그너와 학생 프리드리히 세츠가 1930 년에 반도체의 성격을 발견할 수 있게 되었다. 도체이자 절연체이다. 트랜지스터에 전압을 가하면 문극의 기능을 실현하여 관내 전류의 통단을 제어할 수 있다. 이 원리를 사용하면 1 및 0 의 언어를 써서 조작할 수 있도록 정보를 인코딩할 수 있습니다.

다음 10 년 동안 벨 연구소의 과학자들은 세계 최초의 트랜지스터를 제조하고 개선했다. 1954 년 미군은 세계 최초의 트랜지스터 컴퓨터인 TRIDAC 를 성공적으로 제조했다. TRIDAC 는 이전에 건물처럼 비대했던 신뢰할 수 없는 진공관 컴퓨터의 선배에 비해 3 입방피트에 불과하며 전력은100W 에 불과하다. 오늘날 인텔과 AMD 는 최첨단 칩에 수십억 개의 마이크로프로세서를 배치할 수 있습니다. 그리고 이 모든 것은 양자역학 덕분입니다.

양자 간섭 "수리" 에너지 회수

우리가 얼마나 존경하든 간에, 양자역학이 대표하는 이론을 그 결과와 연결시키는 것은 쉽지 않다. 그것들은 전혀 관련이 없는 두 가지처럼 들리기 때문이다. (알버트 아인슈타인, 명예명언) "에너지 회수" 가 그 예입니다.

우리가 차를 몰고 여행할 때마다 사람들은 불가피하게 부정적인 일을 한다-에너지 낭비. 엔진이 연료에 불을 붙이면 차체의 전진을 촉진하는 추진력이 생길 때 에너지의 상당 부분이 열량으로 손실되거나, 헛되이 말하면 공기 중에 낭비되기 때문이다. 이런 상황에서 미국 애리조나 대학의 연구원들은 양자역학의 양자 간섭 원리를 이용하여 이 문제를 해결하려고 시도했다.

양자 간섭은 동일한 양자 시스템의 여러 가지 다른 상태가 순수 상태로 겹쳐지는 상황을 묘사하는데, 이것은 완전히 알려지지 않은 것처럼 들리지만, 연구원들은 이를 이용하여 열을 전기로 효과적으로 변환할 수 있는 분자 열전 물질을 개발했다. 더 중요한 것은, 이 재료의 두께는 백만 분의 1 피트에 불과하다. 유효할 때 다른 외부 운동 부품을 설치할 필요가 없으며 오염이 발생하지 않습니다. 연구팀은 이 재료로 자동차의 배기 시스템을 감싸면 자동차가 200 개의100W 전구를 밝힐 수 있는 충분한 전기를 얻게 될 것이라고 밝혔다. 이론이 혼란스럽지만 이 수치는 명확하게 볼 수 있다.

이에 따라 이 팀은 신소재의 미래에 대해 자신감을 가지고 있으며, 이 소재가 열 손실이 있는 다른 분야에서도 열에너지를 전기로 변환하는 역할을 할 수 있다고 확신합니다 (예: 광전지 태양전지판). 우리는 이것들이 양자 간섭을 통해 이루어졌다는 것을 알기만 하면 된다.

불확실한 양자, 매우 확실한 시계

일반인으로서, 너는 보통 너의 시계가 30 분 빠르든 10 초 느리든 개의치 않는다. 하지만 미 해군기상대처럼 한 나라의 시간을 책임지면 0.5 초의 오차는 허용되지 않습니다. 다행히도, 이러한 중요한 조직 단위는 원자시계에 의지하여 시간을 정확하게 유지할 수 있다. 이 원자시계들은 이전의 모든 시계보다 정확하다. 그중에서 가장 강력한 것은 세슘 원자시계로, 2000 만년 후에도 오차를 1 초 이내로 유지할 수 있다.

이런 정확하고 불안한 시계를 보고 나면, 실제로 그것을 사용하는 사람이 있는지, 아니면 어디서 사용하는지 궁금하실 겁니다. (존 F. 케네디, 시간명언) 대답은' 예' 입니다. 확실히 필요한 사람이 있습니다. 예를 들어, 우주선의 비행 경로를 계산할 때 우주 엔지니어는 목적지의 위치를 명확하게 이해해야 합니다. 별이든 소행성이든, 그들은 항상 움직이고 있다. 동시에, 거리도 반드시 고려해야 할 요소이다. 앞으로 우리 은하의 범위를 벗어나면 오차 폭이 점점 작아질 것이다.

그렇다면 양자역학은 이것과 어떤 관련이 있을까요? 이러한 매우 정확한 원자 시계에 있어서 오차를 일으키는 가장 큰 적은 양자 소음이다. 원자 진동을 측정하는 원자 시계의 능력을 떨어뜨립니다. 현재 독일 대학의 연구원 두 명이 세슘 원자의 에너지 등급을 조정하여 양자 소음을 억제하는 방법을 개발했다. 그들은 현재 이 방법을 모든 원자시계에 적용하려고 시도하고 있다. 결국 선진적인 기술일수록 시간 엄수에 대한 요구가 높아진다.

양자 암호술의 전투는 이길 수 없다

스파르타인들은 전투에서 항상 용맹으로 유명하지만, 사람들은 그들의 전략적 재능을 과소평가할 수 없다. 적들이 그들의 군사 행동을 미리 알지 못하도록 스파르타인들은 비밀 정보를 암호화하고 해독하기 위해 암호봉이라는 것을 사용했다. 그들은 먼저 양피지 한 장을 기둥에 싸서, 그 위에 메시지를 쓰고, 마지막으로 양피지를 떼어냈다. 이런 식으로 스파르타 장교는 적들이 어이없어 보이는 명령을 내릴 수 있다. 우리 자신의 인원은 양피지를 같은 크기의 기둥에 다시 싸야만 진정한 명령을 읽을 수 있다.

스파르타인들의 간단한 기술은 단지 긴 암호학의 역사의 시작일 뿐이다. 오늘날, 미시 물질의 기이한 특성에 의존하는 양자암호술은 이미 공개적으로 무해를 선언했다. 양자 얽힘 효과를 이용하여 단일 광자 편광에 기반한 새로운 정보 전송 방식이다. 그 보안은 누군가가 전송 네트워크에 침입할 때마다 광자 빔에 장애가 발생하고 각 노드의 탐지기가 오류 수준의 증가를 지적하여 공격 경보를 발령한다는 것입니다. 발신자와 수신자도 임의로 키 값의 하위 집합을 선택하여 일치시킬 수 있습니다. 모두 일치해야 도청하는 사람이 없다고 생각할 수 있습니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 남녀명언) 즉, 해커는 간섭 흔적을 남기지 않고 양자 시스템에 침입할 수 없다. 단지 디코딩을 시도하는 것만으로도 양자 암호 시스템의 상태가 바뀌기 때문이다. 그에 따라 해커가 암호 정보 세트의 디코딩 키를 성공적으로 가로채더라도 그는 이 바둑을 완성하면서 키를 변경하게 된다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 암호명언) 따라서 합법적인 정보 수신자가 열쇠를 검사할 때 쉽게 단서를 찾아 새 키를 바꿀 수 있습니다.

양자 암호의 출현은 줄곧' 절대안전' 의 귀환으로 여겨져 왔지만, 세상에 바람이 통하지 않는 벽은 없다. 노르웨이인들은 1000 여 년 전부터 바이킹의 역사를 가지고 있으며 양자 암호술의 미해결 신화 (White Code) 를 깨뜨렸다. 암호 정보를 잘못 읽는 장치의 도움으로 디코딩을 시도하지 않고도 정보를 얻을 수 있습니다. 그러나 그들은 양자 암호술이 완비된 후 회피할 수 있는 기존 기술을 활용한 허점일 뿐이라고 인정했다.

난수 생성기: 하나님의 "양자 주사위"

소위 난수 발생기는 구식 연속극에서 그 황당무계하고 신비로운 것이 아니다. 양자역학의 도움으로 그들은 진정한 난수를 부를 수 있다. 그런데 왜 과학자들은 단순히 동전과 주사위를 던지는 대신 양자 세계로 들어가 난수를 찾는 것을 귀찮게 하지 않는가? (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 과학명언) 대답은 진정한 무작위성은 양자 수준에서만 존재한다는 것이다. 사실, 과학자들이 주사위 던지기에 대한 충분한 정보를 수집하기만 하면, 그들은 결과를 미리 예측할 수 있다. 이것은 룰렛, 복권, 심지어 컴퓨터로 생성된 복권 결과에 모두 효과가 있다.

그러나 양자 세계에서는 모든 것이 절대적으로 예측할 수 없다. 바로 이런 예측불가능성으로 막스 플랑크 대학교 광학물리학연구소 연구원들이' 양자주사위' 를 만들었다. 그들은 먼저 진공에서 요동을 만들어 양자 소음을 발생시킨 다음 소음에 의해 발생하는 임의 에너지 수준을 측정하여 정보 암호화, 일기 예보 등에 사용할 수 있는 실제 난수를 얻는다. 이 주사위가 솔리드 칩에 장착돼 다양한 사용 요구를 충족시킬 수 있다는 점은 주목할 만하다.

우리는 거의 레이저를 놓쳤다.

양자역학의 경험과 마찬가지로 레이저 초기에는' 이론상의 거인, 실제 응용중의 난쟁이' 로 여겨졌다. 하지만 오늘날 가정용 CD 기든' 미사일 방어 시스템' 이든 레이저는 당대 인류 사회 생활에서 이미 핵심 위치를 차지하고 있다. 그러나 양자역학이 아니라면 레이저에 대한 우리의 이야기는 한 획으로 끝날 가능성이 높다.

레이저의 원리는 먼저 원자를 중심으로 회전하는 전자를 부딪쳐 저능급으로 돌아갈 때 광자를 발사할 수 있도록 하는 것이다. 그런 다음 이 광자들은 주변 원자에 동일한 변화를 일으키게 됩니다. 즉, 광자를 방출합니다. 마지막으로, 레이저의지도하에, 이 광자들은 우리가 보는 레이저 인 안정된 집중 빔을 형성합니다. 물론 이론 물리학자인 막스 플랑크와 그가 발견한 양자역학의 원리가 없어도 사람들은 이것을 알 수 있다. 플랑크는 원자의 에너지 수준이 연속적이지 않고 분산되고 무관한 것이라고 지적했다. 원자가 에너지를 방출할 때, 그것은 이산값의 최소 기본 단위 양자로 에너지를 방출한다. 레이저의 작동 원리는 실제로 특정 양자가 에너지를 방출하도록 자극하는 것입니다.

한계에 도전하도록 설계된 초정밀 온도계

일반 의료용 체온계로 절대영도보다 낮은 1% 의 온도를 측정한다면 이 체온계의 운명은 상상할 수 있다. 그렇다면 이런 극단적인 온도에 어떻게 대처할 것인가? 예일 대학의 연구원들은 이러한 상황에 대처할 수 있는 신기한 온도계를 발명했다. 극한의 환경에서 견고함을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 매우 정확한 수치를 제공할 수 있다.

이런 온도계를 만들기 위해서는 연구팀이 온도계의 설계 아이디어를 재구성해야 한다. 예를 들어, 정확한 값을 얻는 방법. 다행히도, 정확성을 추구하는 과정에서 과학자들은 양자 터널을 통해 그들이 원하는 답을 얻었다. 표면을 오르지 않고 산 안으로 파고드는 것처럼 입자가 장벽을 통과할 때 양자 소음이 발생합니다. 연구팀의 양자 온도계를 이용하여 이러한 소음을 측정하면 실험 대상의 온도를 정확하게 얻을 수 있다.

이 온도계는 일반인의 일상생활에는 별로 의미가 없지만 과학실험실, 특히 극저온 환경이 필요한 재료 실험실에서는 사용할 수 있다. 현재 연구원들은 다양한 수단을 통해 온도계의 정확도를 높이기 위해 노력하고 있으며, 응용범위가 확대됨에 따라 더 많은 극단적인 과학 연구 환경이 혜택을 볼 수 있을 것으로 기대하고 있다.

양자 에너지 변환 부하를위한 정재파 기술

양자 에너지 변환 부하의 정재파 기술. 주요 원리는 하이테크 양자 에너지 탱크에 의존하는 것이다. 제품이 선내에 들어간 후' 소리, 빛, 전기, 자기' 등 물리적 개입을 통해 에너지를 이식한다.

그리고 물질 분자 수준의 정재파 주입은 물질의 원래 분자 구조와 성질을 바꾸지 않는다. 양자 주입 후의 산물은 이론적으로 반감기가 없다. 현재 실험실의 기존 양자 제품은 17 년 후에도 포화 양자 에너지를 유지하고 있다.

모두가 양자 컴퓨터를 좋아합니다.

1965 가 발표한 한 논문에서 인텔사의 공동 설립자인 고든 무어는 컴퓨터 기술의 미래 발전에 대해 개략적이지만 의미심장한 예측을 했다. 가장 중요한 것은 미래의 유명한 무어 법칙입니다. 집적 회로는 평방 피트당 트랜지스터 수가 18 개월마다 두 배가 됩니다. 이 법칙은 컴퓨터 기술의 발전에 지대한 영향을 끼쳤지만, 이제 무어의 법칙은 이미 끝난 것 같다. 2020 년에는 실리콘 칩이 자신의 물리적 한계에 도달할 것이기 때문이다. 트랜지스터가 계속 축소됨에 따라 양자 세계의 각종 법칙을 따르기 시작할 것이다.

양자세계의' 적대적' 법칙에 비해 양자시대에 적응하는 것이 최선의 선택일 수 있다. 오늘날 양자 컴퓨터 연구에 종사하는 과학자들은 바로 이렇게 하고 있다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에 비해 병렬 처리라는 비교할 수 없는 장점을 가지고 있습니다. 병렬 처리 기능을 통해 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터처럼 우선적으로 처리하지 않고 여러 작업을 동시에 처리할 수 있습니다. 양자 컴퓨터의 이런 특성은 미래가 지수급 속도로 기존 컴퓨터를 능가할 운명이다.

그러나 양자 계산이 현실화되기 전에 과학자들은 몇 가지 어려운 도전을 극복해야 한다. 예를 들어, 양자 컴퓨터는 기존의 비트 저장 용량보다 훨씬 큰 양자 비트를 사용하지만, 유감스럽게도 양자 비트는 여러 입자가 함께 네트워크를 형성하기 때문에 창조하기가 매우 어렵습니다. 지금까지 과학자들은 한 번에 12 종류의 입자만 얽힐 수 있다. 양자 컴퓨터가 상업화되려면, 적어도 이 숫자는 수십 배, 심지어 100 배는 더 증가해야 한다. (존 F. 케네디, 컴퓨터명언)

공상과학에서 현실로의 장거리 전송

공상 과학 영화, 특히 우주 장르는 장거리 전송을 가장 좋아한다. 거대한 사람이 한 곳에서 신비롭게 사라지고, 다른 곳에서는 순식간에 나타나는데, 아무런 전달체도 없다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언)

장거리 전송은 양자 상태의 보이지 않는 전송으로, 매우 특이한 양자 세계에서 양자의' 얽힘' 운동 상태이다. 이런 상태의 광자는 텔레파시처럼 전송해야 할 양자상태를' 시공간을 가로질러' 한 곳에서 신비롭게 사라지고, 다른 곳에서는 순식간에 나타나고, 어떤 전달체도 없다. "시간 교차" 에서, 그것은 더 이상 고전적인 정보를 전송하는 것이 아니라, 양자 상태에 의해 운반되는 양자 정보이며, 이것들은 모두 미래의 양자 통신망의 일부이다.

앞서 IBM 팀의 엔지니어 6 명은 장거리 전송이 완전히 가능하다는 것을 증명했습니다. 적어도 이론적으로는 그렇습니다. 그러나' 원물' 은 이 과정에서 사라진다는 점에 유의해야 한다. 원격 전송은' 팩스' 가 아니기 때문에, 너의 원본' 파일' 은 파괴될 것이다. 원본 오브젝트를 "복사" 하는 것처럼 보이는 과정은 실제로 원본 오브젝트에 대한 변화입니다.

2009 년 메릴랜드 주립대학과 양자연구소의 과학자들이 실시한' 양자정보처리' 실험에서 1 미터 외용기 중 한 원자에서 다른 원자로의 양자스텔스 전태가 성공했다. 실험에서 한 원자는 다른 원자로, 두 번째 원자는 첫 번째 원자의 역할을 하는데, 이는' 원초 이전' 의 개념과는 다르지만, 원자간 이동은 초밀도, 초고속 양자 컴퓨터, 양자 통신의 발전에 큰 의미가 있다.

예, 장거리 전송은 전송 대상에만 중요한 것이 아닙니다. 이 목표가 달성되기 전에' 피난처' 에 대한 각종 연구도 다른 여러 분야에서 큰 성과를 거둔 것으로 증명되었다. 양자역학의 모든 연구, 심지어 인류의 모든 과학 활동도 마찬가지다.

진짜 인스턴트 메시징이 무엇인지 알고 싶습니까?

양자역학은 지난 몇 년 동안의 성과가 소중하지만 과학자들은 그것이 미래에 더 큰 기여를 할 것이라고 믿을 만한 이유가 있다.

이제 휴대폰, 문자 메시지, 메일, MSN, 비신 등의 통신 도구를 배회할 때, 소위' 인스턴트 메시징' 으로 덮여 있다고 생각할 수 있습니다. 사실, 당신의 목소리, 글, 이미지가 목적지에 도착하는 데는 시간이 좀 걸리거나 길거나 짧습니다. 현재 사람들이 일상적으로 사용할 수 있는 통신 방식은 시간이 매우 짧지만, 먼 미래에는 사람들 간의 통신이 더 이상 각 대륙에 국한되지 않고, 은하를 넘어야 할 수도 있어 통신 시간이 크게 늘어날 수 있다. 예를 들어 올해 8 월 6 일,' 호기심' 호 탐사 로봇이 화성에 상륙하여 보낸 신호는 10 여 분 지연될 것이다. 하지만 이것은 태양계에서 지구와 화성 사이의 거리일 뿐이다. 거리가 더 연장된다면, 과학자들은 양자 역학만이 거리가 얼마나 멀든 간에 실제로 "인스턴트" 통신을 실현할 수 있다고 생각한다.

순간통신을 현실로 만드는 관건은 양자얽힘이라는 양자역학 현상인 아인슈타인이' 유령 보이지 않는 상태' 라고 부르는 것, 즉 얽힌 상태의 두 입자가 멀리 떨어져 있어도 특별한 관계를 유지하는 것이다. 한 입자의 조작이 다른 입자에 영향을 미칠 수 있다. 간단히 말해서, 한 입자가 측정되거나 관찰되면 다른 입자도 순식간에 상태를 변경합니다. 이런' 텔레파시' 의 일치된 행동은 이미 고전적인 물리 규칙의 해석을 넘어섰기 때문에 아인슈타인이 귀신의 매력으로 여겨졌다. 그러나 양자 얽힘을 이용하여 입자 중 하나를 조작하여 해당 입자가 즉시 그에 따라 변하도록 하여' 우주 메일' 송수신 동작을 완성할 수 있다.