Ένα από τα πιο παράξενα και συναρπαστικά πειράματα στη διασταύρωση φυσικής, τεχνητής νοημοσύνης και τεχνολογίας υπολογιστών παρουσιάστηκε πρόσφατα από ομάδα ερευνητών, με έναν τρόπο που μοιάζει βγαλμένος από επιστημονική φαντασία: δημιούργησαν ένα μικροσκοπικό «βίντεο γάτας» χρησιμοποιώντας μεμονωμένα άτομα. Και μάλιστα, όχι οποιαδήποτε γάτα, αλλά τη διασημότερη της κβαντομηχανικής, τη γάτα του Schrödinger.
Το «φιλμ» σχηματίστηκε από εκατοντάδες άτομα ρουβιδίου, τοποθετημένα με τέτοια ακρίβεια ώστε να συνθέτουν το περίγραμμα της γάτας που, θεωρητικά, είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Η διαδικασία αυτή δεν είναι απλώς ένα εντυπωσιακό επιστημονικό καπρίτσιο, αλλά αποτελεί μια απόδειξη της προόδου που επιτυγχάνεται στις προσπάθειες κατασκευής αξιόπιστων κβαντικών υπολογιστών.
Από τα bits στα qubits
Για να γίνει αντιληπτή η σημασία του πειράματος, αξίζει να θυμηθούμε τις βασικές αρχές της πληροφορικής. Οι σημερινοί υπολογιστές βασίζονται σε bits, δηλαδή σε διακριτές μονάδες πληροφορίας που παίρνουν τιμές 0 ή 1. Στον αντίποδα, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν qubits, που μπορούν να βρίσκονται σε κατάσταση 0, σε κατάσταση 1, αλλά και σε μια εύθραυστη υπέρθεση και των δύο. Αυτή η ιδιότητα δίνει στους κβαντικούς υπολογιστές τη δυνατότητα να λύνουν ορισμένα προβλήματα με ταχύτητα και αποδοτικότητα που οι κλασικοί υπολογιστές δεν μπορούν να φτάσουν.
Ωστόσο, υπάρχει ένα τεράστιο εμπόδιο: τα qubits είναι εξαιρετικά ασταθή και ευάλωτα στις παραμικρές εξωτερικές παρεμβολές. Για τον λόγο αυτό, οι ερευνητές αναζητούν συνεχώς πιο σταθερούς τρόπους για να τα υλοποιήσουν. Μία από τις πλέον ελπιδοφόρες προσεγγίσεις είναι η χρήση ουδέτερων ατόμων, τοποθετημένων σε διατάξεις με εξαιρετική ακρίβεια.
Η δύναμη της «οπτικής τσιμπίδας»
Τα ουδέτερα άτομα μπορούν να «συλλαμβάνονται» και να μετακινούνται με τη βοήθεια εξαιρετικά εστιασμένων δεσμών laser, γνωστών ως optical tweezers (οπτικές τσιμπίδες). Μέχρι τώρα, η διαδικασία αυτή γινόταν με αργό και επίπονο τρόπο, καθώς τα άτομα μετακινούνταν ένα-ένα, γραμμή προς γραμμή. Αυτή η χρονοβόρα μέθοδος περιόριζε την κλίμακα των πειραμάτων.
Η καινοτομία της τρέχουσας έρευνας είναι η αξιοποίηση της τεχνητής νοημοσύνης. Οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα μοντέλο AI που μπορεί να υπολογίζει σε πραγματικό χρόνο τις βέλτιστες κινήσεις των δεσμών laser ώστε να μετακινούνται τα άτομα με μεγαλύτερη ταχύτητα και ακρίβεια.
Η γάτα που «χορεύει» με άτομα
Στο βίντεο που δημιούργησαν, κάθε κίτρινη κουκίδα αντιπροσωπεύει ένα από τα 549 άτομα ρουβιδίου που τοποθετήθηκαν μέσα σε ένα πλέγμα μόλις 230 μικρομέτρων πλάτους. Τα άτομα φθορίζουν όταν τα «πιάνει» το laser, επιτρέποντας την ανίχνευση και τον χειρισμό τους. Με την καθοδήγηση της AI, τα άτομα σχημάτισαν με εντυπωσιακή ακρίβεια την κλασική φιγούρα της γάτας του Schrödinger.
Η ταχύτητα της διαδικασίας είναι αξιοσημείωτη: κάθε αναδιάταξη γίνεται σε μόλις 60 χιλιοστά του δευτερολέπτου, ενώ το βίντεο που προβλήθηκε έχει επιβραδυνθεί περίπου 33 φορές για να είναι ορατές οι κινήσεις.
Κλιμάκωση και προοπτικές
Η τεχνική αυτή δεν περιορίζεται μόνο σε μερικές εκατοντάδες άτομα. Σήμερα μπορεί να εφαρμοστεί σε έως και 2024 άτομα ταυτόχρονα, ενώ οι ερευνητές εκτιμούν ότι θα μπορούσε να επεκταθεί σε χιλιάδες στο μέλλον. Αυτή η κλιμάκωση είναι κρίσιμη, αφού οι κβαντικοί υπολογιστές που θα έχουν πρακτική αξία χρειάζονται πολύ μεγάλους αριθμούς qubits για να ξεπεράσουν σε υπολογιστική ισχύ τους σημερινούς υπερυπολογιστές.
Η χρήση της τεχνητής νοημοσύνης στην κβαντική φυσική ανοίγει νέους δρόμους. Εργαλεία που κάποτε έμοιαζαν ανεπαρκή λόγω περιορισμών στην ταχύτητα ή την ακρίβεια τώρα αποκτούν νέες δυνατότητες χάρη στους αλγορίθμους AI.
Πέρα από το «τρικ»
Αν και η εικόνα μιας γάτας φτιαγμένης από άτομα μπορεί να μοιάζει με εντυπωσιακό επιστημονικό τρικ, στην πραγματικότητα αποτελεί μια απόδειξη αρχής: δείχνει ότι μπορούμε να διαχειριζόμαστε μαζικά και με ακρίβεια ουδέτερα άτομα, κάτι που θεωρείται βασικό βήμα για την πρακτική υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας.
[via]
