Σημαντικό βήμα για τη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών

25-1-2011

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από τη Βρετανία, τη Γερμανία, την Ιαπωνία και τον Καναδά σημείωσε ένα σημαντικό επίτευγμα, που φέρνει ακόμα ένα βήμα πιο κοντά την πολυπόθητη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι θα κάνουν υπολογισμούς πολύ ταχύτερα από οποιοδήποτε μηχάνημα μέχρι σήμερα. Οι ερευνητές κατάφεραν για πρώτη φορά να υλοποιήσουν το αινιγματικό φαινόμενο του κβαντικού «εναγκαλισμού» (ή κβαντικής εμπλοκής) σε πυρίτιο, το οποίο αποτελεί τη βάση των «τσιπ» των υπολογιστών. Έτσι, θα μπορούσαν στο μέλλον να δημιουργηθούν κβαντικοί υπολογιστές με βάση τα κοινά «τσιπάκια», πράγμα που θα διευκόλυνε πρακτικά και οικονομικά την παραγωγική διαδικασία από τις υπάρχουσες βιομηχανίες ημιαγωγών.

Οι ερευνητές, υπό τον Τζον Μόρτον του πανεπιστημίου της Οξφόρδης, που παρουσίασαν τη σχετική μελέτη στο περιοδικό «Nature», σύμφωνα με το πρακτορείο Ρόιτερ, δημιούργησαν 10 δισεκατομμύρια κβαντικά εναγκαλισμένα ζεύγη και μάλιστα με υψηλή αξιοπιστία. Ο κβαντικός εναγκαλισμός (που είχε «τρομάξει» και τον ίδιο τον Αϊνστάιν) αφορά την μυστηριώδη «επικοινωνία» δύο σωματιδίων: αν το ένα αλλάξει κατάσταση, τότε αυτόματα συμβαίνει το ίδιο και στο «ταίρι» του, ακόμα κι αν αυτό βρίσκεται σε απόσταση πολλών χιλιομέτρων και δεν υπάρχει καμία φυσική επαφή μεταξύ τους.

Τη δυνατότητα αυτή, ακριβώς, θέλουν να αξιοποιήσουν οι επιστήμονες, στο πλαίσιο ενός νέου είδους υπολογιστή, που θα χρησιμοποιεί για προγραμματισμό τα «κβαντικά bits» (ή qubits). Έτσι, θα μπορεί να εξετάζει (επεξεργάζεται, μετρά, ελέγχει κλπ.) πολλές λύσεις ταυτόχρονα σε ένα πρόβλημα, χάρη στη χρήση πολλών παράλληλων κβαντικών καταστάσεων σε υπέρθεση μεταξύ τους, αντίθετα με τους τωρινούς συμβατικούς υπολογιστές που «δουλεύουν» με δυαδικά bits και μπορούν να ασχοληθούν με ένα πράγμα μόνο τη φορά.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ισχυρά μαγνητικά πεδία και πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (τρεις μόλις βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν) για να παράγουν κατ’ επανάληψη εμπλοκή ανάμεσα σε ένα ηλεκτρόνιο και στον πυρήνα ενός ατόμου φωσφόρου ενσωματωμένου σε ένα κρύσταλλο πυριτίου. Η διαδικασία εφαρμόστηκε εκ παραλλήλου σε ένα τεράστιο αριθμό ατόμων φωσφόρων (10 δισεκατομμύρια).

Το ηλεκτρόνιο και ο πυρήνας συμπεριφέρονται ως ένας μικροσκοπικός μαγνήτης (spin), κάθε ένας από τους οποίους αντιπροσωπεύει ένα bit κβαντικής πληροφορίας. Όταν τεθούν υπό έλεγχο με τον κατάλληλο τρόπο, αυτά τα qubits μπορούν αρχικά να ευθυγραμμιστούν και μετά -υπό την επίδραση δύο παλμών μικροκυμάτων- να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, κάνοντας πραγματικότητα τον κβαντικό εναγκαλισμό.

Για να κατασκευαστεί, όμως, ένας κβαντικός υπολογιστής με σάρκα και οστά, η επόμενη πρόκληση θα είναι αυτός να μπορεί όχι μόνο να δημιουργεί πάνω από 1 εκατ. qubits, αλλά και να υπάρχει κβαντική εμπλοκή μεταξύ όλων αυτών. Έτσι η κατάσταση κάθε ενός qubit θα είναι άρρηκτα συνδεδεμένη κβαντικά όχι με ένα μόνο άλλο qubit στο πλαίσιο ενός ζεύγους, αλλά με τις καταστάσεις όλων των άλλων qubits ταυτόχρονα.

Προς το παρόν, το ρεκόρ ταυτόχρονης εμπλοκής (εναγκαλισμού) qubits είναι 12, άρα ο κβαντικός υπολογιστής θα αργήσει αρκετά μέχρι να γίνει πραγματικότητα. Αυτό ακριβώς, πάντως, θα προσπαθήσουν να κάνουν από εδώ και πέρα, όπως είπαν οι ερευνητές, δηλαδή να «μπλέξουν» κβαντικά μεταξύ τους όλα μαζί τα ζεύγη των qubits.