Ερευνητές έκαναν τα άτομα να επικοινωνούν μεταξύ τους μέσα σε επεξεργαστές πυριτίου

Μια εντυπωσιακή πρόοδο πέτυχαν ερευνητές του University of New South Wales (UNSW), καταφέρνοντας να κάνουν τα άτομα να «επικοινωνούν» μεταξύ τους μέσα σε μικροτσίπ πυριτίου. Η εξέλιξη αυτή φέρνει πιο κοντά την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας, με τη βοήθεια της υπάρχουσας τεχνολογίας παραγωγής ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.

Οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως «κβαντική εμπλοκή», όπου δύο σωματίδια συνδέονται τόσο στενά ώστε να παύουν να λειτουργούν ανεξάρτητα. Αυτή η ιδιότητα δίνει στους κβαντικούς υπολογιστές τη δυνατότητα να επιλύουν πολύπλοκα προβλήματα με ταχύτητα που οι συμβατικοί υπολογιστές δεν μπορούν να φτάσουν.

Η ομάδα του UNSW χρησιμοποίησε το σπιν των πυρήνων ατόμων φωσφόρου που είχαν εμφυτευθεί σε πυρίτιο, για να αποθηκεύσει και να διαχειριστεί κβαντική πληροφορία. Ο Andrea Morello εξηγεί: «Το σπιν ενός ατομικού πυρήνα είναι το καθαρότερο και πιο απομονωμένο κβαντικό αντικείμενο που μπορεί να βρεθεί σε στερεά κατάσταση». Το πρόβλημα, όμως, ήταν πάντα το ίδιο: η εξαιρετική απομόνωση που προστάτευε τα άτομα από τον θόρυβο του περιβάλλοντος καθιστούσε δύσκολη την αλληλεπίδρασή τους.

Μέχρι πρόσφατα, οι μηχανικοί μπορούσαν να κάνουν πυρήνες να «συνεργαστούν» μόνο αν βρίσκονταν εξαιρετικά κοντά και μοιράζονταν το ίδιο ηλεκτρόνιο. Αυτό περιόριζε σημαντικά την κλιμάκωση της τεχνολογίας. Η νέα έρευνα ξεπέρασε αυτόν τον περιορισμό, αξιοποιώντας τα ίδια τα ηλεκτρόνια ως «τηλέφωνα» που συνδέουν απομακρυσμένους πυρήνες.

Η Dr Holly Stemp, κύρια συγγραφέας της μελέτης, εξηγεί με μια παρομοίωση: «

Μέχρι τώρα οι πυρήνες έμοιαζαν με ανθρώπους σε ηχομονωμένα δωμάτια. Μπορούσαν να μιλήσουν μόνο μεταξύ τους, αλλά κανείς άλλος δεν άκουγε. Με την ανακάλυψή μας, είναι σαν να τους δώσαμε τηλέφωνα. Τώρα μπορούν να επικοινωνούν ακόμα κι αν βρίσκονται σε διαφορετικά δωμάτια.

Στην πράξη, τα ηλεκτρόνια μπορούν να «απλώνονται» στον χώρο και να αλληλεπιδρούν με περισσότερους από έναν πυρήνες. Έτσι, οι πυρήνες που βρίσκονται σε απόσταση έως 20 νανομέτρων – δηλαδή περίπου το ένα χιλιοστό του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας – μπορούν να συνδεθούν. Η απόσταση αυτή αντιστοιχεί περίπου, σε αναλογική κλίμακα, στη διαδρομή από το Σίδνεϊ έως τη Βοστώνη.

Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο είναι ότι τα 20 νανόμετρα αποτελούν ήδη την τυπική κλίμακα με την οποία κατασκευάζονται οι σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές, από smartphones μέχρι φορητούς υπολογιστές. Αυτό σημαίνει ότι η ανακάλυψη μπορεί να αξιοποιήσει απευθείας τις υπάρχουσες διαδικασίες της βιομηχανίας ημιαγωγών, μια βιομηχανία αξίας τρισεκατομμυρίων δολαρίων.

Ο Morello τονίζει:

Η μεγάλη τεχνολογική μας τομή είναι ότι καταφέραμε να κάνουμε τα πιο καθαρά και απομονωμένα κβαντικά αντικείμενα να επικοινωνούν στο ίδιο μέγεθος που ήδη κατασκευάζονται οι σημερινοί ηλεκτρονικοί μικροεπεξεργαστές.

Η συμβατότητα με τις υπάρχουσες μεθόδους παραγωγής αποτελεί κλειδί για τη μελλοντική ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας. Τα άτομα φωσφόρου εισήχθησαν στο πυρίτιο με τη βοήθεια της ομάδας του Professor David Jamieson από το University of Melbourne, ενώ το υπερ-καθαρό πυρίτιο προήλθε από τον Professor Kohei Itoh του Keio University στην Ιαπωνία.

Το σημαντικότερο εμπόδιο, η ανάγκη οι πυρήνες να μοιράζονται το ίδιο ηλεκτρόνιο, ξεπεράστηκε.

Η μέθοδος μας είναι εξαιρετικά στιβαρή και μπορεί να επεκταθεί. Στο μέλλον μπορούμε να προσθέσουμε περισσότερα ηλεκτρόνια και να τα διαμορφώσουμε ώστε να καλύπτουν ακόμα μεγαλύτερες αποστάσεις. Τα ηλεκτρόνια είναι εύκολο να τα μετακινήσεις και να τα “πλάσεις” με ακρίβεια, κάτι που είναι κρίσιμο για την κβαντική υπολογιστική σε μεγάλη κλίμακα.

Η ανακάλυψη της ομάδας του UNSW είναι μια πρακτική πρόοδος που φέρνει την κβαντική επανάσταση πιο κοντά στη βιομηχανική πραγματικότητα. Αν οι πυρήνες ατόμων μπορούν να συνδέονται σε αποστάσεις συγκρίσιμες με τις τρέχουσες τεχνολογίες μικροηλεκτρονικής, τότε το όνειρο ενός κβαντικού υπολογιστή που θα λειτουργεί σε εμπορική κλίμακα παύει να μοιάζει μακρινό.

Όπως τόνισε η Dr Stemp, «καταφέραμε να κάνουμε τα πιο καθαρά κβαντικά αντικείμενα να συνομιλήσουν στο ίδιο μέγεθος που χρησιμοποιείται ήδη στα τσιπ που έχουμε στις τσέπες μας». Μια φράση που αποτυπώνει την ουσία της ανακάλυψης: η κβαντική υπολογιστική μπορεί να γίνει πραγματικότητα όχι σε ένα θεωρητικό εργαστήριο, αλλά στα ίδια εργοστάσια που φτιάχνουν τους σημερινούς μικροεπεξεργαστές.

[via]