Επανάσταση στην Κβαντική Πληροφορική: Ανοίγει ο δρόμος για εκατομμύρια qubits σε ένα τσιπ!

Μια επιστημονική ανακάλυψη που χρειάστηκε περισσότερα από δέκα χρόνια για να ωριμάσει ανοίγει τον δρόμο για την κατασκευή πρακτικών κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ ανακοίνωσαν την ανάπτυξη ενός νέου είδους επεξεργαστή, το οποίο μπορεί να λειτουργήσει σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και να τοποθετηθεί δίπλα στα ευαίσθητα qubits χωρίς να τα επηρεάζει.

Το νέο αυτό chip αποτελεί καίριο βήμα για την ενοποίηση των κλασικών και κβαντικών εξαρτημάτων σε μία μόνο συσκευή, με δυνατότητα τοποθέτησης εκατομμυρίων qubits και των συστημάτων ελέγχου τους πάνω στην ίδια επιφάνεια. Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στις 25 Ιουνίου στο περιοδικό Nature, υπογραμμίζοντας την τεχνολογική σημασία αυτής της εξέλιξης.

Τα qubits, οι βασικές μονάδες πληροφορίας στην κβαντική πληροφορική, ξεπερνούν κατά πολύ τα δυαδικά bits των κλασικών υπολογιστών, αφού μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε καταστάσεις 0 και 1, μέσω του φαινομένου της υπέρθεσης. Αυτή η δυνατότητα καθιστά τους κβαντικούς υπολογιστές ικανούς να εκτελούν παράλληλους υπολογισμούς και να επιλύουν προβλήματα που παραμένουν άλυτα με τις υπάρχουσες τεχνολογίες.

Ωστόσο, η ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων σε πρακτικό επίπεδο έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη. Ένα από τα βασικά εμπόδια ήταν η ανάγκη τα qubits (και ιδιαίτερα τα spin qubits, που βασίζονται στην περιστροφή των ηλεκτρονίων) να διατηρούνται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, κάτω από 1 kelvin, ώστε να μην χάνουν τη δυνατότητα να διατηρούν υπέρθεση και σύμπλεξη με άλλα qubits.

Παράλληλα, τα qubits απαιτούν λεπτομερή έλεγχο μέσω ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, τα οποία όμως με την παραμικρή θερμική ή ηλεκτρική παρεμβολή κινδυνεύουν να διαταράξουν τη λειτουργία τους. Το επίτευγμα της ομάδας του David Reilly, καθηγητή φυσικής στο University of Sydney Nano Institute, είναι ακριβώς ότι κατάφερε να σχεδιάσει ένα σύστημα ελέγχου με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, το οποίο μπορεί να τοποθετηθεί σε απόσταση μικρότερη του ενός χιλιοστού από τα qubits χωρίς να προκαλεί θόρυβο ή αστάθεια.

Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, το νέο chip επέτρεψε την εκτέλεση βασικών λειτουργιών ενός και δύο qubit, με απόλυτη ακρίβεια και σταθερότητα. Μάλιστα, η συνολική κατανάλωση ενέργειας του chip ανήλθε μόλις στα 10 microwatts, ενώ τα αναλογικά εξαρτήματα που ελέγχουν τα qubits μέσω ηλεκτρικών παλμών καταναλώνουν μόλις 20 nanowatts ανά megahertz.

Το chip βασίζεται στην τεχνολογία CMOS — την ίδια που χρησιμοποιείται στην κατασκευή των επεξεργαστών για smartphones και υπολογιστές — γεγονός που το καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικό για μαζική παραγωγή. Σε αντίθεση με άλλα είδη qubits, όπως τα υπεραγώγιμα, τα φωτονικά ή τα ιονικά, τα spin qubits προσφέρουν τη δυνατότητα ενσωμάτωσης σε υπάρχουσες γραμμές παραγωγής, διευκολύνοντας την εμπορική μετάβαση.

«Αυτό το επίτευγμα μας φέρνει πιο κοντά στην ημέρα που οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα είναι απλώς εντυπωσιακά πειραματικά εργαλεία, αλλά πραγματικές πλατφόρμες που μπορούν να επιλύσουν προβλήματα της καθημερινότητας», δήλωσε ο Reilly. Πρόσθεσε επίσης ότι βλέπει πολλαπλές εφαρμογές για την τεχνολογία αυτή, από τα συστήματα αισθητήρων του άμεσου μέλλοντος έως τα data centers της επόμενης γενιάς.

Η επιτυχία αυτή ίσως ενθαρρύνει περισσότερες ερευνητικές ομάδες να επενδύσουν στην κατεύθυνση των spin qubits, με τον Kushal Das, μηχανικό υλικού στην Emergence Quantum και συνδημιουργό του chip, να επισημαίνει πως αν και η τεχνολογία είναι υποσχόμενη, απαιτεί χρόνια εμπειρίας και εξειδίκευσης για την υλοποίησή της.

«Τώρα που αποδείξαμε ότι μπορούμε να ελέγξουμε qubits σε θερμοκρασίες millikelvin χωρίς απώλεια απόδοσης, αναμένουμε ότι θα υπάρξει μεγάλο ενδιαφέρον από την επιστημονική κοινότητα», ανέφερε χαρακτηριστικά.

Η ενσωμάτωση εκατομμυρίων qubits σε ένα μόνο chip δεν είναι πλέον θεωρητική υπόθεση, αλλά ρεαλιστικός στόχος. Κι αν κρίνουμε από τον ρυθμό των εξελίξεων, ίσως δεν είμαστε και τόσο μακριά από την εποχή που η κβαντική υπολογιστική θα περάσει από τα εργαστήρια στις πραγματικές εφαρμογές, αλλάζοντας ριζικά τον τρόπο που επεξεργαζόμαστε την πληροφορία.

[via]