Μια διεθνής ομάδα Φυσικών από το University of Leiden, το Tsinghua University στο Πεκίνο και το Zhejiang University στο Hangzhou πέτυχε κάτι που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν σχεδόν αδύνατο: απέδειξε ότι μεγάλα κβαντικά συστήματα ακολουθούν πράγματι τους παράξενους και αντιδιαισθητικούς κανόνες της κβαντομηχανικής. Χρησιμοποιώντας ένα τεστ γνωστό ως Bell’s test, οι ερευνητές μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη αυθεντικών κβαντικών συσχετίσεων σε ένα σύστημα 73 qubits, μια επίδοση που ουσιαστικά δημιουργεί τον πρώτο «κβαντικό ανιχνευτή ψεύδους».
Το αποτέλεσμα αυτής της μελέτης αποδεικνύει ότι οι σύγχρονοι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι απλώς μεγαλύτερες και πιο πολύπλοκες εκδόσεις των συμβατικών μηχανών, αλλά συσκευές που λειτουργούν αυθεντικά με βάση τις θεμελιώδεις αρχές της κβαντομηχανικής. Αυτό το εύρημα ανοίγει νέους δρόμους για πιο ασφαλείς επικοινωνίες, ανθεκτικότερη κρυπτογραφία και ισχυρότερους κβαντικούς αλγορίθμους.
Η γέννηση ενός «ανιχνευτή ψεύδους» για τον κβαντικό κόσμο
Η ιδέα πίσω από το πείραμα βασίζεται στο Bell’s test – ένα θεωρητικό εργαλείο που σχεδιάστηκε από τον φυσικό John Bell τη δεκαετία του 1960. Το τεστ αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες να ελέγξουν αν ένα σύστημα πραγματικά εμφανίζει «κβαντική μη-τοπικότητα» ή απλώς μιμείται κβαντική συμπεριφορά χωρίς να την έχει. Με απλά λόγια, είναι ένα είδος «ανιχνευτή ψεύδους» για την κβαντική φυσική: αποκαλύπτει αν μια συσκευή, όπως ένας κβαντικός υπολογιστής, λειτουργεί αληθινά σύμφωνα με τις αρχές της κβαντομηχανικής.
Καθώς οι τεχνολογίες αυτές εξελίσσονται, οι επιστήμονες χρειάζονται όλο και πιο αυστηρές μεθόδους για να επιβεβαιώσουν τη «γνησιότητά» τους. Η συγκεκριμένη έρευνα έκανε ένα τεράστιο άλμα προς αυτή την κατεύθυνση, πραγματοποιώντας δοκιμές Bell σε ένα σύστημα 73 qubits – τον μεγαλύτερο αριθμό που έχει ελεγχθεί ποτέ.
Το πείραμα που άλλαξε τα δεδομένα
Η ομάδα των Jordi Tura, Patrick Emonts και της υποψήφιας διδάκτορα Mengyao Hu από το Leiden, σε συνεργασία με θεωρητικούς και πειραματικούς φυσικούς από την Κίνα, ανέπτυξε μια έξυπνη προσέγγιση για να παρακάμψει τη δυσκολία της άμεσης μέτρησης των περίπλοκων Bell correlations. Αντί να επιχειρήσουν να τις υπολογίσουν απευθείας, επικεντρώθηκαν σε κάτι που οι κβαντικές συσκευές κάνουν εξαιρετικά καλά: την ελαχιστοποίηση της ενέργειας.
Με τη χρήση ενός υπεραγώγιμου κβαντικού επεξεργαστή, δημιούργησαν μια ειδική κβαντική κατάσταση 73 qubits και μέτρησαν ενεργειακά επίπεδα που ήταν πολύ χαμηλότερα από ό,τι θα μπορούσε να επιτύχει ένα κλασικό σύστημα. Η διαφορά ήταν τεράστια – 48 σταθερές αποκλίσεις – κάτι που καθιστά στατιστικά αδύνατο το αποτέλεσμα να οφείλεται στην τύχη.
Η ομάδα, ωστόσο, δεν σταμάτησε εκεί. Κατάφερε να πιστοποιήσει και έναν πιο σπάνιο τύπο κβαντικής μη-τοπικότητας, γνωστό ως αυθεντικές πολυμερείς συσχετίσεις Bell. Σε αυτό το φαινόμενο, όλα τα qubits ενός συστήματος συμμετέχουν ταυτόχρονα στη συσχέτιση, γεγονός που καθιστά την παραγωγή και επαλήθευσή του εξαιρετικά δύσκολη. Παρ’ όλα αυτά, οι ερευνητές πέτυχαν να δημιουργήσουν και να επαληθεύσουν τέτοιες καταστάσεις έως και σε 24 qubits – μια εντυπωσιακή απόδειξη της ακρίβειας και του ελέγχου που έχουν πλέον στα χέρια τους.
Τι σημαίνει αυτό για την κβαντική τεχνολογία
Η μελέτη αυτή αποδεικνύει, για πρώτη φορά σε τόσο μεγάλη κλίμακα, ότι είναι εφικτό να πιστοποιηθεί «βαθιά» κβαντική συμπεριφορά σε περίπλοκα συστήματα. Δεν πρόκειται απλώς για θεωρητική επιβεβαίωση, αλλά είναι ένα ουσιαστικό βήμα προς την κατεύθυνση της διασφάλισης ότι οι κβαντικοί υπολογιστές είναι όντως κβαντικοί και όχι απλώς πανίσχυρα προσομοιωμένα μηχανήματα.
Η δυνατότητα να αναγνωρίζονται και να ελέγχονται αυτές οι συσχετίσεις Bell έχει άμεσες πρακτικές εφαρμογές. Μπορεί να οδηγήσει σε πολύ πιο ασφαλή συστήματα κβαντικής επικοινωνίας, όπου τα δεδομένα προστατεύονται θεμελιωδώς από τους νόμους της φυσικής. Επίσης, μπορεί να επιτρέψει την ανάπτυξη νέων, πιο αποδοτικών αλγορίθμων για υπολογισμούς που σήμερα θεωρούνται αδύνατοι ακόμη και για τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές.
[via]
