Καταρρίφθηκε το ρεκόρ αριθμού ατόμων σε κβαντική διάταξη.
Ταυτόχρονα με την ανακοίνωση ότι το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής απονέμεται σε επιστήμονες που έχουν αφιερώσει τη ζωή τους στην έρευνα του κβαντικού κόσμου με επίκεντρο την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών για ηλεκτρονικές συσκευές και υπολογιστές έγινε γνωστή μια νέα μελέτη στην οποία παρουσιάζεται ένα πείραμα που χαρακτηρίζεται ως ορόσημο στη προσπάθεια δημιουργίας κβαντικών υπολογιστών.
Επιστήμονες στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) πραγματοποίησαν ένα πείραμα στο οποίο συγχρόνισαν 6,100 άτομα σε μια κβαντική διάταξη σπάζοντας κάθε προηγούμενο ρεκόρ. Η έρευνα αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο ανθεκτικούς, ανεκτικούς στα σφάλματα κβαντικούς υπολογιστές.
Στο πείραμα χρησιμοποίησαν ουδέτερα άτομα σε ζεύγη ως κβαντικά δυφία (qubits) τα οποία αποτελούν τη βασική μονάδα πληροφορίας στα κβαντικά συστήματα. Οι ερευνητές κράτησαν τα ζεύγη αυτά σε κατάσταση «υπέρθεσης», ώστε να πραγματοποιήσουν κβαντικούς υπολογισμούς. Για να το επιτύχουν οι επιστήμονες χώρισαν μία δέσμη λέιζερ σε 12,000 «λαβίδες λέιζερ» οι οποίες συγκρατούσαν συνολικά τα 6,100 qubits.
Όπως περιγράφεται μελέτη οι επιστήμονες όχι μόνο κατέρριψαν το ρεκόρ για τον αριθμό των ατομικών qubits σε μια μόνο διάταξη, αλλά επίσης αύξησαν σημαντικά τη διάρκεια συνοχής της υπέρθεσης δηλαδή το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ένα άτομο παραμένει διαθέσιμο για υπολογισμούς ή έλεγχο σφαλμάτων. Η διάρκεια αυτή ανέβηκε από λίγα δευτερόλεπτα σε 12,6 δευτερόλεπτα.
Η μελέτη αποτελεί σημαντικό βήμα προς την κατασκευή μεγάλων κβαντικών υπολογιστών ικανών για επιτεύγματα πολύ πέρα από τις δυνατότητες των ταχύτερων σημερινών υπερυπολογιστών. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι το αποτέλεσμα αυτό είναι ορόσημο για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών που βασίζονται στην αρχιτεκτονική ουδέτερων ατόμων.
Ο δρόμος προς τη «κβαντική υπεροχή»
Αυτό το είδος έχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα: λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου. Αντίθετα, τα πιο συνηθισμένα qubits — από υπεραγώγιμα μέταλλα — απαιτούν πολύπλοκο και δαπανηρό εξοπλισμό ψύξης σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Πιστεύεται ευρέως ότι οι εμπορικά αξιοποιήσιμοι κβαντικοί υπολογιστές θα χρειαστούν συστήματα με εκατομμύρια qubits, καθώς κάθε λειτουργικό qubit απαιτεί αρκετά qubits διόρθωσης σφαλμάτων για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία του.
Τα qubits είναι ευαίσθητα στο «θόρυβο» και τείνουν να αποσυγχρονίζονται όταν εκτίθενται σε εξωτερικούς παράγοντες. Καθώς τα δεδομένα μεταφέρονται μέσα σε ένα κβαντικό κύκλωμα, αυτή η αποσυγχρόνιση τα αλλοιώνει. Για να το αντιμετωπίσουν οι επιστήμονες αναπτύσσουν τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων (QEC) παράλληλα με μεθόδους επέκτασης του αριθμού των qubits.
Παρότι αρκετά από τα σημερινά συστήματα λειτουργούν, λίγα θεωρούνται πραγματικά χρήσιμα σε σχέση με τους υπερυπολογιστές. Εταιρείες όπως η IBM, η Google και η Microsoft έχουν καταφέρει να δείξουν αυτό που ονομάζεται «κβαντική υπεροχή» ή «κβαντικό πλεονέκτημα», αλλά αυτό περιορίζεται κυρίως σε ειδικά σχεδιασμένα προβλήματα επίδειξης και όχι σε πρακτικές εφαρμογές.
Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα γίνουν πιο χρήσιμοι όσο μεγαλώνουν σε κλίμακα και βελτιώνεται η διαχείριση των σφαλμάτων. «Είναι μια συναρπαστική στιγμή για την κβαντική υπολογιστική με ουδέτερα άτομα. Πλέον μπορούμε να δούμε έναν ξεκάθαρο δρόμο προς μεγάλους, διορθωμένους ως προς τα σφάλματα κβαντικούς υπολογιστές, τα δομικά στοιχεία υπάρχουν ήδη», δήλωσε ο Μανουέλ Έντρες καθηγητής Φυσικής στο Caltech, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.
Τεχνικές και επόμενα βήματα
Πέρα από το μέγεθος της διάταξης, εντυπωσιακές είναι και οι τεχνικές που καθιστούν το σύστημα επεκτάσιμο. Οι ερευνητές πέτυχαν βελτίωση κατά δέκα φορές σε κρίσιμους τομείς όπως η συνοχή, η υπέρθεση και το μέγεθος της διάταξης, φτάνοντας από εκατοντάδες σε πάνω από 6,000 qubits με ακρίβεια 99,98%.
Επιπλέον, παρουσίασαν μια νέα μέθοδο «μεταφοράς» της διάταξης, μετακινώντας τα άτομα εκατοντάδες μικρόμετρα χωρίς να χάνεται η υπέρθεση κάτι που στο μέλλον θα μπορούσε να συμβάλει σε στιγμιαία διόρθωση σφαλμάτων.
Το επόμενο βήμα της ομάδας είναι να συνδέσει τα άτομα μέσω «διεμπλοκής» (entanglement) μια θεμελιώδη κατάσταση της κβαντικής μηχανικής που επιτρέπει πραγματικούς κβαντικούς υπολογισμούς. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η διεμπλοκή θα οδηγήσει σε ισχυρότερες τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων και πιο ακριβείς υπολογισμούς, φέρνοντας πιο κοντά το όραμα για χρήσιμους, ανεκτικούς στα σφάλματα κβαντικούς υπολογιστές.
