Η κβαντική πληροφορική υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο που λύνουμε τα πιο περίπλοκα επιστημονικά και τεχνολογικά προβλήματα. Ωστόσο, μέχρι σήμερα παραμένει αντιμέτωπη με ένα κρίσιμο εμπόδιο: την αστάθεια των qubits, των βασικών δομικών λίθων κάθε κβαντικού υπολογιστή. Ακόμη και η παραμικρή εξωτερική διαταραχή – μια αλλαγή στη θερμοκρασία, ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο ή μικροσκοπικές δονήσεις – μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια των κβαντικών ιδιοτήτων και να ακυρώσει την ικανότητά τους να πραγματοποιούν αξιόπιστους υπολογισμούς.
Μια νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters έρχεται να προτείνει μια εντυπωσιακή λύση. Ομάδα επιστημόνων από το Chalmers University of Technology στη Σουηδία, σε συνεργασία με το Aalto University και το University of Helsinki στη Φινλανδία, παρουσίασε ένα νέο κβαντικό υλικό που αξιοποιεί τον μαγνητισμό για να προσφέρει σταθερότητα. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο σε πιο ανθεκτικούς κβαντικούς υπολογιστές, ικανούς να λειτουργούν σε πραγματικές συνθήκες χωρίς να καταρρέουν υπό το βάρος εξωτερικών «θορύβων».
Τα μυστικά της κβαντικής σταθερότητας
Στην κλίμακα των ατόμων, οι νόμοι της φυσικής διαφέρουν ριζικά από εκείνους που αντιλαμβανόμαστε στην καθημερινότητά μας. Τα σωματίδια υπακούουν στις αρχές της κβαντικής φυσικής, αποκτώντας ιδιότητες όπως η ταυτόχρονη ύπαρξη σε πολλαπλές καταστάσεις. Αυτά τα φαινόμενα αποτελούν τη βάση της κβαντικής πληροφορικής, αλλά και τον λόγο που οι υπολογιστές αυτοί είναι τόσο ευάλωτοι.
Για να ξεπεραστεί το πρόβλημα, οι φυσικοί τα τελευταία χρόνια πειραματίζονται με «τοπολογικά» υλικά. Σε αυτά, οι κβαντικές καταστάσεις προστατεύονται από τη θεμελιώδη δομή του υλικού, δηλαδή την τοπολογία του. Τα τοπολογικά διεγέρματα που προκύπτουν με αυτόν τον τρόπο είναι πολύ πιο σταθερά και ανθεκτικά στις εξωτερικές επιρροές. Όμως, μέχρι σήμερα, τα κατάλληλα υλικά ήταν ελάχιστα και δύσκολα να βρεθούν.
Η καινοτομία: μαγνητισμός αντί για σπάνιες αλληλεπιδράσεις
Η νέα μελέτη φέρνει μια ριζικά διαφορετική προσέγγιση. Παραδοσιακά, η δημιουργία τοπολογικών διεγερμάτων στηριζόταν στη χρήση της «σύζευξης spin–orbit», μιας κβαντικής αλληλεπίδρασης που συνδέει το spin του ηλεκτρονίου με την τροχιά του γύρω από τον πυρήνα. Το πρόβλημα είναι ότι η αλληλεπίδραση αυτή εμφανίζεται σπάνια στη φύση, περιορίζοντας την αναζήτηση σε λίγα υλικά.
Η ερευνητική ομάδα από τη Σουηδία και τη Φινλανδία επέλεξε μια πολύ πιο κοινή φυσική δύναμη: τον μαγνητισμό. Χρησιμοποιώντας ειδικά μαγνητικά άτομα και τον τρόπο που αυτά αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια, κατόρθωσαν να δημιουργήσουν ισχυρά τοπολογικά διεγέρματα, ικανά να προστατεύσουν τα qubits από εξωτερικούς παράγοντες.
Όπως εξηγεί ο Guangze Chen, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην εφαρμοσμένη κβαντική φυσική στο Chalmers και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, «το πλεονέκτημα της μεθόδου μας είναι ότι ο μαγνητισμός υπάρχει φυσικά σε πολλά υλικά. Είναι σαν να μαγειρεύεις με καθημερινά υλικά αντί να βασίζεσαι σε σπάνια καρυκεύματα».
Ένα εργαλείο για την ανακάλυψη νέων υλικών
Για να επιταχυνθεί η διαδικασία εντοπισμού τέτοιων υλικών, οι επιστήμονες ανέπτυξαν και ένα νέο υπολογιστικό εργαλείο. Το πρόγραμμα αυτό μπορεί να προβλέψει με ακρίβεια τον βαθμό στον οποίο ένα υλικό εκδηλώνει τοπολογική συμπεριφορά. Αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές έχουν πλέον στα χέρια τους έναν «χάρτη» που μπορεί να τους καθοδηγήσει σε πιο γρήγορες και στοχευμένες ανακαλύψεις.
Η ανάπτυξη τέτοιων υλικών δεν είναι απλώς μια ακαδημαϊκή άσκηση. Αν εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα, θα μπορούσε να προσφέρει την πρώτη γενιά κβαντικών υπολογιστών πραγματικά ανθεκτικών σε εξωτερικές επιρροές. Αυτό θα άνοιγε τον δρόμο για την επίλυση προβλημάτων που ξεπερνούν τις δυνατότητες ακόμη και των πιο ισχυρών σημερινών υπερυπολογιστών, από την ανακάλυψη νέων φαρμάκων έως την προσομοίωση πολύπλοκων φυσικών συστημάτων.
Από την θεωρία στην πράξη
Η πρόκληση βέβαια παραμένει: να μετατραπούν αυτά τα εντυπωσιακά αποτελέσματα σε λειτουργικά συστήματα. Οι επιστήμονες σχεδιάζουν ήδη να βελτιώσουν τη σταθερότητα των νέων υλικών και να τα δοκιμάσουν σε μεγαλύτερη κλίμακα. Η προοπτική ενός κβαντικού υπολογιστή που θα είναι αρκετά ανθεκτικός ώστε να χρησιμοποιείται πρακτικά δεν φαντάζει πλέον μακρινή.
Ελπίζουμε ότι αυτή η προσέγγιση θα μας οδηγήσει στην ανακάλυψη περισσότερων εξωτικών υλικών. Στο τέλος, αυτό μπορεί να μας φέρει πιο κοντά σε κβαντικές πλατφόρμες που βασίζονται σε υλικά φυσικά ανθεκτικά στους θορύβους που ταλαιπωρούν τα σημερινά συστήματα.
[via]
