Ένα τεχνολογικό ορόσημο στον χώρο των κβαντικών υπολογιστών ανακοίνωσαν οι επιστήμονες του California Institute of Technology (Caltech), οι οποίοι κατάφεραν να δημιουργήσουν τη μεγαλύτερη μέχρι σήμερα διάταξη ουδέτερων ατόμων-qubits. Συνολικά 6.100 qubits, παγιδευμένα σε ένα πλέγμα με τη βοήθεια laser, προσφέρουν μια πρώτη εικόνα για το πώς μπορεί να μοιάζει το μέλλον της υπολογιστικής ισχύος που υπόσχεται η κβαντική φυσική.
Η σημασία της εξέλιξης αυτής είναι τεράστια. Σε αντίθεση με τα κλασικά bits, τα qubits μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις – χάρη στο φαινόμενο της υπέρθεσης. Αυτό επιτρέπει στους κβαντικούς υπολογιστές να λύνουν περίπλοκα προβλήματα πολύ πιο γρήγορα από τους συμβατικούς, αλλά ταυτόχρονα καθιστά τα qubits εξαιρετικά ευάλωτα σε σφάλματα. Για να είναι λειτουργικοί οι μελλοντικοί κβαντικοί υπολογιστές, θα χρειαστούν εκατοντάδες χιλιάδες qubits με ενσωματωμένους μηχανισμούς διόρθωσης λαθών.
Η ερευνητική ομάδα του Caltech, με επικεφαλής τον καθηγητή φυσικής Manuel Endres, δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στο περιοδικό Nature στις 24 Σεπτεμβρίου. Στη μελέτη συμμετείχαν τρεις μεταπτυχιακοί φοιτητές, οι Hannah Manetsch, Gyohei Nomura και Elie Bataille. Οι ερευνητές κατάφεραν όχι μόνο να δημιουργήσουν τη μεγαλύτερη διάταξη qubits στην ιστορία, αλλά και να διατηρήσουν αξιοσημείωτη σταθερότητα και ακρίβεια σε κάθε βήμα του πειράματος.
Για να πετύχουν το αποτέλεσμα, χρησιμοποίησαν οπτικές τσιμπίδες – εστιασμένες ακτίνες laser που μπορούν να παγιδεύσουν μεμονωμένα άτομα και να τα τοποθετήσουν σε πλέγμα. Έτσι, κατάφεραν να χωρίσουν μία δέσμη laser σε 12.000 μικρές δέσμες, οι οποίες συγκράτησαν 6.100 άτομα και δημιούργησαν το μεγαλύτερο «κβαντικό πεδίο» που έχει παρατηρηθεί έως τώρα. Όπως δήλωσε η Manetsch, «στην οθόνη μπορούμε να δούμε κάθε qubit σαν μια μικρή κουκίδα φωτός. Είναι μια εντυπωσιακή εικόνα υλικού κβαντικών υπολογιστών σε μεγάλη κλίμακα».
Ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα της ομάδας ήταν ότι η αύξηση της κλίμακας δεν θυσίασε την ποιότητα. Τα qubits διατήρησαν την υπέρθεσή τους για περίπου 13 δευτερόλεπτα – σχεδόν δέκα φορές περισσότερο από ό,τι είχε επιτευχθεί σε αντίστοιχες προηγούμενες διατάξεις. Παράλληλα, οι ερευνητές μπόρεσαν να χειριστούν τα qubits με ακρίβεια που έφτασε το 99,98%. Όπως σχολίασε ο Nomura, «τα qubits δεν έχουν αξία χωρίς ποιότητα. Τώρα διαθέτουμε και ποσότητα και ποιότητα».
Εξίσου εντυπωσιακό ήταν το γεγονός ότι οι ερευνητές κατάφεραν να μετακινήσουν τα άτομα σε αποστάσεις εκατοντάδων μικρομέτρων μέσα στο πλέγμα χωρίς να χαθεί η υπέρθεση. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι καθοριστικό, γιατί ανοίγει τον δρόμο για πιο αποτελεσματική διόρθωση σφαλμάτων, σε αντίθεση με άλλες πλατφόρμες κβαντικών υπολογιστών που βασίζονται σε σταθερές δομές, όπως τα υπεραγώγιμα κυκλώματα.
Η Manetsch παρομοίασε τη διαδικασία με το να κουβαλάς ένα ποτήρι γεμάτο νερό ενώ τρέχεις:
Το να κρατάς το άτομο σε θέση είναι σαν να μην αφήνεις το ποτήρι να γείρει. Το να το διατηρείς όμως σε κατάσταση υπέρθεσης, είναι σαν να προσπαθείς να τρέχεις χωρίς να χυθεί ούτε σταγόνα.
Το επόμενο μεγάλο βήμα για τον χώρο είναι η υλοποίηση της διόρθωσης σφαλμάτων σε κλίμακα χιλιάδων qubits. Σύμφωνα με τον Bataille,
Οι κβαντικοί υπολογιστές πρέπει να κωδικοποιούν τις πληροφορίες με τρόπο ανθεκτικό στα σφάλματα, ώστε να μπορούν να εκτελούν πραγματικά χρήσιμους υπολογισμούς. Επειδή τα qubits δεν μπορούν να αντιγραφούν, η διόρθωση λαθών απαιτεί πιο σύνθετες στρατηγικές.
Το επόμενο στάδιο των ερευνών του Caltech είναι η δημιουργία ενδοπλεγμένων qubits, δηλαδή καταστάσεων στις οποίες τα σωματίδια συσχετίζονται και λειτουργούν ως ένα. Η ενδοπλοκή είναι το βασικό στοιχείο που θα μετατρέψει τους κβαντικούς υπολογιστές από μηχανές αποθήκευσης υπέρθεσης σε συστήματα ικανά να πραγματοποιούν πραγματικούς υπολογισμούς. Είναι, επίσης, το στοιχείο που δίνει στην κβαντική τεχνολογία τη μοναδική της δύναμη: την ικανότητα να προσομοιώνει τη φύση και τα ίδια τα θεμέλια του Σύμπαντος.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι μέσω της ενδοπλοκής θα μπορέσουν να προκύψουν ανακαλύψεις που αφορούν νέες φάσεις της ύλης, τον σχεδιασμό καινοτόμων υλικών αλλά και τη μελέτη των κβαντικών πεδίων που διέπουν τον χωροχρόνο. Όπως σχολίασε η Manetsch,
Είναι συναρπαστικό ότι φτιάχνουμε μηχανές που θα μας βοηθήσουν να μάθουμε για το σύμπαν με τρόπους που μόνο η κβαντική μηχανική μπορεί να αποκαλύψει.
Η επίτευξη των 6.100 qubits δεν σημαίνει ότι η μάχη έχει κερδηθεί, αλλά δείχνει ότι τα δομικά υλικά για τους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος βρίσκονται πλέον στη διάθεσή μας.
[via]
