Μια ομάδα μαθηματικών και φυσικών από το University of Southern California κατάφερε να αναδείξει τη σημασία μιας έννοιας που πολλοί θεωρούσαν άχρηστη ή αδιάφορη για την επιστήμη. Η ανακάλυψή τους, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, αφορά ένα νέο είδος θεωρητικού σωματιδίου, το οποίο ονόμασαν “neglecton”. Σε συνδυασμό με τα ανιόντα μοντέλου Ising, τα neglectons φαίνεται πως μπορούν να προσφέρουν τη δυνατότητα πραγματοποίησης όλων των απαραίτητων πράξεων για έναν καθολικό κβαντικό υπολογιστή, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά την τεχνική του braiding, δηλαδή την φυσική ανταλλαγή θέσεων σωματιδίων στον χώρο.
Η έρευνα έρχεται να απαντήσει σε ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που αντιμετωπίζει η κβαντική πληροφορική: την ευθραυστότητα των qubits. Σε αντίθεση με τα κλασικά bits, τα qubits μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε πολλαπλές καταστάσεις, γεγονός που προσφέρει τεράστιες δυνατότητες επεξεργασίας. Ωστόσο, η ευαισθησία τους σε εξωτερικές παρεμβολές τα καθιστά ευάλωτα σε σφάλματα, τα οποία συσσωρεύονται γρήγορα. Χωρίς προηγμένα συστήματα διόρθωσης, η αξιοπιστία τους καταρρέει.
Μία από τις πιο υποσχόμενες προσεγγίσεις για την επίλυση αυτού του ζητήματος είναι η τοπολογική κβαντική πληροφορική. Βασίζεται σε εξωτικά σωματίδια που μπορούν να υπάρξουν σε δύο διαστάσεις και παρουσιάζουν αυξημένη ανθεκτικότητα στις διαταραχές. Μέχρι σήμερα, στο επίκεντρο αυτής της στρατηγικής βρίσκονταν τα ανιόντα μοντέλου Ising. Αυτά τα σωματίδια όμως έχουν έναν περιορισμό: μπορούν να υλοποιήσουν μόνο τις λεγόμενες πύλες Clifford , οι οποίες δεν επαρκούν για την ανάπτυξη ενός καθολικού κβαντικού υπολογιστή.
Σε αυτό το σημείο εμφανίζεται η συμβολή του Aaron Lauda και της ομάδας του. Οι ερευνητές αποφάσισαν να εξετάσουν μία κατηγορία μαθηματικών θεωριών που συνήθως παραμελούνται, τις μη ημι-απλές τοπολογικές κβαντικές θεωρίες πεδίου (NS-TQFTs). Οι θεωρίες αυτές, σε αντίθεση με τις πιο διαδεδομένες προσεγγίσεις, δεν απορρίπτουν συνιστώσες που έχουν “μηδενικό κβαντικό ίχνος”. Εκεί, μέσα σε αυτό που πολλοί είχαν χαρακτηρίσει “μαθηματικά απορρίμματα”, εντόπισαν τα neglectons, το κρίσιμο στοιχείο που έλειπε από την εξίσωση.
Στο προτεινόμενο μοντέλο, ένα neglecton παραμένει σταθερό στη θέση του, ενώ γύρω του εκτελούν περίπλοκες διαδρομές τα ανιόντα Ising. Μέσα από αυτήν την αλληλεπίδραση, το σύστημα μπορεί να εκτελέσει το πλήρες σύνολο πράξεων που απαιτούνται για καθολική κβαντική πληροφορική, χωρίς την ανάγκη πρόσθετων τεχνικών.
Παρόλα αυτά, η θεωρία παρουσιάζει δυσκολίες. Η NS-TQFT διατύπωση μπορεί να δημιουργήσει ανωμαλίες που επηρεάζουν τις κβαντικές πιθανότητες. Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν κώδικα που “απομονώνει” αυτές τις ανεπιθύμητες επιδράσεις από τις υπολογιστικές διαδικασίες. Ο Lauda παρομοίασε τη μέθοδο με το να επιλέγεις να χρησιμοποιείς μόνο τα “σταθερά” δωμάτια ενός σπιτιού που έχει ορισμένα δομικά προβλήματα σε άλλες περιοχές.
Το επόμενο στάδιο ανήκει πλέον στους πειραματικούς φυσικούς, οι οποίοι θα πρέπει να διαπιστώσουν αν τα neglectons μπορούν να ενσωματωθούν σε πραγματικές συσκευές. Αν αυτό καταστεί εφικτό, η ανακάλυψη μπορεί να φέρει την υλοποίηση καθολικών κβαντικών μηχανών πιο κοντά από ποτέ.
Η δυνατότητα αξιοποίησης neglectons σε συνδυασμό με υπάρχουσες πλατφόρμες κβαντικής τεχνολογίας θα μπορούσε να μειώσει δραστικά την ανάγκη για περίπλοκες διαδικασίες διόρθωσης σφαλμάτων, κάτι που αποτελεί σήμερα έναν από τους βασικούς παράγοντες που επιβραδύνουν την εξέλιξη του πεδίου.
[via]
