양자물리학이 어떻게 '모든 것에 혁명을 일으킬 수 있는가'

Liam Hall의 경력은 그를 디젤 기계공에서 양자 생명공학으로 이끌었습니다.

호주의 농장에서 자란 Liam Hall은 "기름기가 많고 관절이 긁히는" 기계공이었지만 최근 몇 년 동안 그의 경력은 좀 더 기술적인 방향으로 전환되었습니다.

그는 현재 호주 국립 과학 기관인 CSIRO의 양자 생명 공학 책임자입니다.

"저는 좀 이상한 배경을 가지고 있습니다. 저는 항상 디젤 정비공이 되고 싶었습니다. 한동안 그렇게 하다가 대학에서 공학을 전공하고 싶었습니다. 그러다가 물리학을 접하게 되었고, 그 다음에는 양자물리학을 접하게 되었습니다. A 롤러코스터 타는 것은 그것을 설명하는 좋은 방법입니다."라고 그는 말합니다.

그의 팀은 환자의 철분 수치를 테스트하기 위해 크기가 약 50나노미터(사람의 머리카락보다 약 1,000배 더 가늘음)의 작은 다이아몬드 조각으로 제작된 마이크로 센서를 실험하는 등 진단 기술을 개발해 왔습니다.

현재의 방법은 신체의 철분 저장 메커니즘인 페리틴으로 알려진 단백질을 모니터링합니다. 페리틴을 모니터링하는 것은 철분을 측정하는 좋은 방법이지만 단백질 내부의 실제 철분 수준을 측정하는 것이 더 정확합니다.

이를 수행하는 한 가지 방법은 철에 의해 생성된 작은 자기장을 측정하는 것입니다. 그러나 이러한 접근 방식에는 한 가지 큰 문제가 있습니다.

Hall 박사는 "[자기장은] 완전히 작으며 기존 자력계나 현미경으로는 측정할 수 없습니다."라고 설명합니다.

그러나 Hall 박사의 나노 규모 양자 센서는 이러한 작은 필드를 감지하고 측정할 수 있습니다.

그는 미래에는 이 기술이 암을 나타낼 수 있는 특정 호르몬이나 단백질의 감시를 포함하여 특정 질병에 대한 초기 신호를 개발할 수 있다고 말했습니다.

Hall 박사는 "양자 시스템의 장점은 항상 훨씬 더 낮은 비용으로 훨씬 더 나은 감도와 화학 물질의 더 쉬운 식별을 달성할 수 있다는 것입니다."라고 말합니다.

전 세계 연구자들이 양자 기술을 연구하고 있습니다

Hall 박사는 양자 기술 개발을 위한 전 세계적인 노력의 일부입니다. 영국, 중국, 미국 및 기타 국가는 모두 양자 역학의 이상한 특성을 활용하려고 노력하고 있습니다.

CSIRO의 수석 과학자인 Bronwyn Fox 교수는 "Quantum은 호주에서 가장 유망한 성장 기회 중 하나입니다. 즉, 새로운 시장과 새로운 응용 분야를 창출할 수 있는 기회입니다."라고 말했습니다.

양자역학은 20세기 초 자연의 가장 작은 물체에 대한 연구에서 등장했습니다. 과학자들은 이것이 우주에 대한 우리의 이해를 넓히고 복잡한 문제를 빛의 속도로 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다.

적용 범위는 광범위해 보입니다. 환경 과학 및 탈탄소화의 발전부터 사이버 보안 및 신약까지. 탄소를 먹어 대기에서 제거하는 분자, 자동차에 전력을 공급하는 양자 배터리, 배출량을 낮추고 도로 혼잡을 줄이기 위해 물류를 운송하도록 설계된 항공기가 있을 수 있습니다.

양자 연구의 한 가지 목표는 아원자 입자의 힘을 활용하여 데이터를 저장하고 처리하는 것입니다.

기존 컴퓨팅은 일반적으로 비트(0과 1)를 사용하는 반면, 양자 컴퓨터는 0, 1 또는 두 가지의 조합으로 동시에 존재할 수 있는 큐비트를 사용합니다.

입자가 동시에 여러 상태로 존재할 수 있고(이를 중첩이라고 함) 서로 얽힐 수도 있다는(또는 얽힐) 상황이 조금 이상해질 수 있습니다.

"양자 중첩 원리와 얽힘이라는 또 다른 양자 현상을 함께 사용하면 기존 컴퓨터로는 불가능했던 계산을 수행할 수 있습니다. 이는 세상을 변화시킬 수 있는 매우 놀라운 계산을 수행할 수 있는 가능성을 열어줍니다."라고 교수는 설명합니다. 뉴사우스웨일스 대학교의 Andrew Dzurak입니다.

Covid의 새로운 분기나 또 다른 끔찍한 전염병을 상상해 보세요. 표준 실험 기술을 사용하여 수행할 수 있는 분자 구조를 이해하고 나면 양자 컴퓨터로 이동하여 해당 바이러스를 특별히 공격하는 분자를 만드는 방법을 계산합니다. .

"지구상에서 가장 뛰어난 생물학적, 약학적 지식을 갖춘 사람들이 모두 코로나19 백신을 개발하는 데 6~9개월이 아니라 하루 만에 문제를 해결합니다."

CSIRO 내 기업인 Data 61의 팀 리더인 Muhammed Usman 박사에 따르면 양자 컴퓨팅을 이끄는 힘은 자연 현상인 얽힘에서 비롯됩니다.

복잡하고 이해하기 쉽지 않습니다. 종종 광자 또는 빛의 반점과 같은 특수 입자는 동시에 두 위치에 있을 수 있지만 물리적으로 연결되어 있지 않더라도 강하게 연결된 상태를 유지합니다.

"세상의 어느 누구도 얽힘의 기본을 완전히 이해하지 못한다고 말하고 싶습니다."라고 Usman 박사는 솔직하게 평가했습니다.

양자 인터넷이 있을 수 있을까? 아마도 그럴 것이다. 데이터는 빛의 입자를 사용하여 광섬유를 통해 전송될 수 있으므로 도청이나 해킹이 거의 불가능합니다.

David Awschalom 교수는 시카고 프리츠커 분자공학대학원에 200km 길이의 양자 네트워크를 구축했습니다.

미국 시카고대학교는 미국에서 가장 긴 양자 네트워크 중 하나를 구축했습니다. 길이는 거의 200km(124마일)에 달하며 자라고 있습니다.

David Awschalom은 시카고대학교 프리츠커 분자공학대학원의 분자공학 및 물리학과 Liew Family 교수입니다. 그는 또한 2035년까지 30,000개의 양자 일자리를 창출하고 경제를 위해 600억 달러를 창출할 것으로 예상되는 대학의 Bloch Quantum Tech Hub의 창립 이사이기도 합니다. 호주, 인도, 일본, 네덜란드, 이스라엘의 전문가와의 협력입니다.

"우리는 수 마일의 지하 광섬유를 통해 안전한 양자 메시지를 보낼 수 있는 범위를 확장했습니다."라고 그는 설명합니다.

"그러나 극복해야 할 중요한 과제가 있습니다. 예를 들어 양자 컴퓨팅을 통해 우리는 양자 시스템을 그대로 유지하는 것을 의미하는 양자 일관성, 결맞음으로 인해 발생하는 오류를 감지하고 수정하는 것을 의미하는 오류 수정, 확장성을 의미하는 확장성을 유지하기 위해 노력하고 있습니다. 더 복잡한 문제를 해결하기 위해 양자 시스템의 큐비트 수를 늘릴 수 있습니다."

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터가 해결하지 못한 문제를 해결할 것을 약속합니다.

수년간의 힘든 연구가 앞에 놓여 있지만 미래는 우리를 향해 빠르게 다가오고 있는 것처럼 보입니다.

CSIRO의 Usman 박사는 "양자 인공 지능은 우리 팀의 핵심 연구 영역 중 하나입니다. 기계 학습과 인공 지능은 계산 집약적이며 양자 컴퓨팅은 계산 능력을 약속합니다."라고 설명합니다.

그는 "예를 들어 치명적인 무기를 들고 전장을 비행하는 자율주행차나 드론 등이 있다. 우리는 인공지능을 믿을 수 있을까? 그래서 우리가 발견한 것은 인공지능에 양자컴퓨팅을 통합하면 매우 안정적이고 신뢰할 수 있는 시스템으로 이어진다는 것"이라고 말했다.

"제 꿈은 대규모 양자 컴퓨터를 사용할 수 있고 제가 개발 중인 양자 알고리즘을 실행하여 아직 발견하지 못한 문제에 대한 해결책을 찾을 수 있고 모든 것에 혁명을 일으킬 수 있다는 것입니다."