Σπουδαία δημιουργία του Princeton «ταπεινώνει» τους γίγαντες της Κβαντικής Πληροφορικής

Στον αμείλικτο αγώνα δρόμου για την κβαντική υπεροχή, όπου κολοσσοί όπως η Google και η IBM ξοδεύουν δισεκατομμύρια για να κερδίσουν κλάσματα δευτερολέπτου σταθερότητας, μια ακαδημαϊκή ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον μόλις ανέτρεψε τα δεδομένα. Με μια δημοσίευση που συζητιέται ήδη έντονα στην επιστημονική κοινότητα, οι ερευνητές ανακοίνωσαν τη δημιουργία ενός νέου τύπου κβαντικού επεξεργαστή, ο οποίος διατηρεί την πληροφορία «ζωντανή» για χρόνο-ρεκόρ, ξεπερνώντας κατά 15 φορές τις επιδόσεις των σημερινών εμπορικών συστημάτων.

Το «φράγμα» του 1 millisecond

Στον παράξενο κόσμο της κβαντικής μηχανικής, ο χρόνος είναι ο απόλυτος εχθρός. Τα κβαντικά bits (qubits) είναι εξαιρετικά ευαίσθητα, καθώς αρκεί η παραμικρή διαταραχή – μια αλλαγή θερμοκρασίας ή ένας ανεπαίσθητος ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος – για να καταρρεύσει η κβαντική τους κατάσταση και να χαθεί η πληροφορία. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως αποσυνοχή, είναι ο λόγος που οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές κάνουν λάθη και δυσκολεύονται να εκτελέσουν πολύπλοκους υπολογισμούς.

Μέχρι σήμερα, τα qubits που χρησιμοποιούνται σε επεξεργαστές αιχμής, όπως ο Sycamore της Google, βασίζονται συνήθως σε υπεραγώγιμα κυκλώματα αλουμινίου ή νιοβίου και έχουν χρόνο ζωής (χρόνο συνοχής) που μετράται σε δεκάδες μικροδευτερόλεπτα – περίπου 60 με 70 μs. Η ομάδα του Princeton, όμως, δημιούργησε ένα qubit που παραμένει σταθερό για περισσότερο από 1.000 μικροδευτερόλεπτα (1 μιλισεκόντ).

Μπορεί το ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου να ακούγεται αμελητέο στην ανθρώπινη αντίληψη, αλλά για έναν κβαντικό υπολογιστή είναι μια αιωνιότητα. Είναι αρκετός χρόνος για να εκτελεστούν εκατομμύρια πράξεις ή, το κυριότερο, για να εφαρμοστούν αλγόριθμοι διόρθωσης σφαλμάτων που θα κάνουν τους υπολογιστές αυτούς πραγματικά αξιόπιστους.

Ταντάλιο: Ο «αφανής ήρωας» του Περιοδικού Πίνακα

Το μυστικό της επιτυχίας δεν κρύβεται σε κάποια εξωτική, άγνωστη φυσική θεωρία, αλλά στην επιστήμη των υλικών. Εδώ και χρόνια, η βιομηχανία βασιζόταν στο νιόβιο για την κατασκευή υπεραγώγιμων qubits. Ωστόσο, το νιόβιο έχει μια σημαντική αδυναμία: όταν έρχεται σε επαφή με τον αέρα, η επιφάνειά του οξειδώνεται δημιουργώντας μικροσκοπικές ατέλειες. Αυτές οι ατέλειες λειτουργούν ως «παγίδες» που απορροφούν ενέργεια από το qubit, οδηγώντας το γρήγορα σε «θάνατο».

Οι ερευνητές του Princeton, υπό την καθοδήγηση του Andrew Houck και της Nathalie de Leon, αποφάσισαν να πάρουν ένα ρίσκο. Αντικατέστησαν το νιόβιο με ταντάλιο, ένα σκληρό, ανθεκτικό στη διάβρωση μέταλλο, το οποίο συνήθως χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα υψηλής αντοχής. Παράλληλα, αντικατέστησαν το υπόστρωμα ζαφειριού (που χρησιμοποιείται κατά κόρον) με πυρίτιο υψηλής καθαρότητας – το υλικό στο οποίο βασίζεται όλη η σύγχρονη βιομηχανία μικροτσίπ.

Το αποτέλεσμα τους δικαίωσε πανηγυρικά. Το ταντάλιο αποδείχθηκε πολύ πιο «καθαρό» στις επιφάνειές του, χωρίς τις ενοχλητικές οξειδώσεις που προκαλούν θόρυβο. Το qubit «ανέπνευσε» ελεύθερα, διατηρώντας την κβαντική του κατάσταση τρεις φορές περισσότερο από το προηγούμενο ρεκόρ εργαστηρίου και, όπως προαναφέρθηκε, 15 φορές περισσότερο από τα qubits που συναντάμε στους σημερινούς κβαντικούς επεξεργαστές της βιομηχανίας.

Γιατί η Google και η IBM πρέπει να ανησυχούν (ή να χαίρονται);

Η ανακάλυψη αυτή είναι ένας οδικός χάρτης για το μέλλον. Το γεγονός ότι το νέο qubit βασίζεται στο πυρίτιο είναι εξαιρετικά σημαντικό. Σημαίνει ότι η τεχνολογία αυτή είναι συμβατή με τις υπάρχουσες γραμμές παραγωγής ημιαγωγών. Δεν απαιτείται η επανεφεύρεση του τροχού για να παραχθεί μαζικά.

Για εταιρείες όπως η Google και η IBM, τα νέα είναι διττά. Από τη μία, η τεχνολογία που χρησιμοποιούν αυτή τη στιγμή φαίνεται ξαφνικά «παρωχημένη» όσον αφορά τη διάρκεια ζωής της πληροφορίας. Από την άλλη, η ανακάλυψη του Πρίνστον δεν απαιτεί αλλαγή ολόκληρης της αρχιτεκτονικής τους. Αν μπορέσουν να ενσωματώσουν το ταντάλιο στις δικές τους διαδικασίες παραγωγής, θα μπορούσαν να δουν άλμα στις επιδόσεις των μηχανημάτων τους μέσα σε λίγα μόλις χρόνια, φέρνοντας την εποχή του «χρήσιμου» κβαντικού υπολογιστή πολύ πιο κοντά από ό,τι υπολόγιζαν οι πιο αισιόδοξοι αναλυτές.

Το επόμενο βήμα: Από το εργαστήριο στην πραγματικότητα

Φυσικά, υπάρχει απόσταση από το ένα μεμονωμένο qubit στο εργαστήριο μέχρι έναν πλήρη επεξεργαστή με χιλιάδες qubits. Ωστόσο, η ομάδα του Πρίνστον δεν έμεινε στη θεωρία. Κατασκεύασε ήδη ένα λειτουργικό τσιπ με αυτά τα νέα υλικά, αποδεικνύοντας ότι η μέθοδός τους είναι πρακτική και εφαρμόσιμη.

Η λύση στα μεγάλα προβλήματα της πληροφορικής συχνά δεν απαιτεί πιο πολύπλοκα συστήματα, αλλά καλύτερα υλικά. Το ταντάλιο, ένα μέταλλο που μέχρι χθες περνούσε απαρατήρητο, ίσως τελικά να είναι το κλειδί που θα ξεκλειδώσει την επόμενη μεγάλη τεχνολογική επανάσταση.