Οι ερευνητές του Chalmers University of Technology στη Σουηδία ανακοίνωσαν μια εξέλιξη που ενδέχεται να επιταχύνει δραστικά την πρόοδο στην κβαντική υπολογιστική. Συγκεκριμένα, ανέπτυξαν έναν νέο τύπο ενισχυτή σήματος, ιδιαίτερα αποδοτικό και ενεργοποιούμενο κατά απαίτηση, ο οποίος είναι δέκα φορές πιο οικονομικός σε ενέργεια από τις σημερινές κορυφαίες λύσεις. Η καινοτομία αυτή μπορεί να προσφέρει κρίσιμα πλεονεκτήματα στον τομέα των κβαντικών μετρήσεων και της ευρύτερης ανάπτυξης πιο ισχυρών κβαντικών συστημάτων.
Σε αντίθεση με τα συμβατικά bits που μπορούν να πάρουν μόνο τις τιμές 0 ή 1, τα qubits (οι βασικές μονάδες ενός κβαντικού υπολογιστή) μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε πολλαπλές καταστάσεις μέσω ενός φαινομένου γνωστού ως υπέρθεση. Αυτό σημαίνει ότι ένας κβαντικός υπολογιστής με μόλις 20 qubits μπορεί να αναπαριστά πάνω από ένα εκατομμύριο καταστάσεις ταυτόχρονα, προσφέροντας τεράστιες δυνατότητες για την επίλυση εξαιρετικά πολύπλοκων προβλημάτων που υπερβαίνουν τις ικανότητες των σημερινών υπερυπολογιστών.
Ωστόσο, για να μετατραπεί αυτή η υπολογιστική ισχύς σε πραγματική πληροφορία, είναι απαραίτητη η ακριβής ανάγνωση των καταστάσεων των qubits. Αυτό απαιτεί τη χρήση υπερευαίσθητων ενισχυτών μικροκυμάτων που μπορούν να ανιχνεύσουν τα πολύ ασθενή σήματα των qubits. Το πρόβλημα είναι ότι η λειτουργία των ενισχυτών προκαλεί θερμότητα και ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο, στοιχεία που διαταράσσουν την κβαντική κατάσταση των qubits, οδηγώντας σε αποσυνεκτικότητα και απώλεια δεδομένων.
Η ομάδα του Chalmers κατάφερε να σχεδιάσει έναν νέο ενισχυτή που περιορίζει αυτή την αρνητική επίδραση, μειώνοντας κατακόρυφα την κατανάλωση ενέργειας και αποφεύγοντας την υπερθέρμανση του συστήματος. Σύμφωνα με τον Yin Zeng, υποψήφιο διδάκτορα στην τεχνολογία terahertz και millimeter wave και κύριο συγγραφέα της μελέτης, «ο ενισχυτής αυτός είναι ο πιο ευαίσθητος που μπορεί να κατασκευαστεί σήμερα με χρήση τρανζίστορ. Καταφέραμε να μειώσουμε την ενεργειακή του απαίτηση στο ένα δέκατο σε σύγκριση με τα καλύτερα υπάρχοντα μοντέλα, χωρίς να θυσιάσουμε την απόδοση».
Η εξέλιξη αυτή έρχεται σε μια κρίσιμη στιγμή, καθώς η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα επιδιώκει να κλιμακώσει τα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα ώστε να υποστηρίζουν εκατοντάδες ή και χιλιάδες qubits. Όμως όσο αυξάνεται ο αριθμός των qubits, αυξάνεται και η ανάγκη για περισσότερους ενισχυτές, κάτι που συνεπάγεται μεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος και άρα υψηλότερο ρίσκο απώλειας της κβαντικής συνοχής.
Ο Jan Grahn, καθηγητής μικροκυματικών ηλεκτρονικών στο Chalmers και επιβλέπων της διδακτορικής εργασίας του Zeng, εξηγεί:
Αυτή η μελέτη προτείνει μια λύση για το πρόβλημα της μελλοντικής κλιμάκωσης των κβαντικών υπολογιστών, όπου η θερμότητα που παράγεται από τους ενισχυτές αποτελεί σοβαρό περιοριστικό παράγοντα.
Η καινοτομία του Chalmers έγκειται στο γεγονός ότι ο νέος ενισχυτής δεν είναι συνεχώς ενεργοποιημένος, όπως οι περισσότερες υπάρχουσες λύσεις. Αντίθετα, λειτουργεί παλμικά – ενεργοποιείται δηλαδή μόνο όταν χρειάζεται να διαβάσει πληροφορία από τα qubits. Αυτός ο σχεδιασμός εξοικονομεί σημαντική ποσότητα ενέργειας χωρίς να επηρεάζει την ποιότητα του σήματος.
Ένα από τα βασικά τεχνικά εμπόδια ήταν η ανάγκη για εξαιρετικά γρήγορη απόκριση του ενισχυτή, καθώς η κβαντική πληροφορία μεταδίδεται με παλμούς σε απειροελάχιστους χρόνους. Η ομάδα κατάφερε να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα ενσωματώνοντας έναν αλγόριθμο έξυπνης λειτουργίας στον ενισχυτή, βασισμένο σε τεχνικές γενετικού προγραμματισμού. «Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, επιτύχαμε χρόνο απόκρισης μόλις 35 νανοδευτερολέπτων», αναφέρει ο Zeng.
Με δεδομένη την αυξανόμενη σημασία της κβαντικής τεχνολογίας για το μέλλον της επιστήμης, της βιομηχανίας και της τεχνητής νοημοσύνης, το επίτευγμα αυτό συνιστά ένα κρίσιμο βήμα προς τη δημιουργία πιο σταθερών, αποδοτικών και ισχυρών κβαντικών συστημάτων. Αν η τεχνολογία αυτή αποδειχθεί βιώσιμη και σε μεγαλύτερη κλίμακα, θα μπορούσε να αποτελέσει θεμέλιο για την επόμενη γενιά υπολογιστών.
[via]
