Παρουσιάστηκε ο μικρότερος κβαντικός υπολογιστής στον κόσμο

Με δημοσίευση της στην επιθεώρηση «Physical Review Applied» ερευνητική ομάδα ανακοίνωσε την κατασκευή του μικρότερου κβαντικού υπολογιστή στον κόσμο. Έχει το μέγεθος ενός επιτραπέζιου υπολογιστή και μπορεί να λειτουργήσει σε θερμοκρασία δωματίου. H δημιουργία κβαντικών υπολογιστών αποτελεί το ιερό δισκοπότηρο στον τομέα της πληροφορικής αφού αυτοί οι υπολογιστές αναμένεται φέρουν επανάσταση στον σύγχρονο κόσμο. Η χρήση των κβαντικών υπολογιστών πιστεύεται ότι θα φέρει αδιανόητη ώθηση σε κάθε τομέα της επιστήμης και της τεχνολογίας.

Τα qubits

Στους υπολογιστές, η μονάδα πληροφορίας είναι το bit, το οποίο λαμβάνει τιμές είτε «0» είτε «1» και οι πληροφορίες αποθηκεύονται ως συνδυασμοί των δύο αυτών ψηφίων. Στους κβαντικούς υπολογιστές, το αντίστοιχο του bit είναι το κβαντικό bit, ή qubit. Χάρη σε μια κβαντική ιδιότητα που ονομάζεται υπέρθεση, το qubit μπορεί να λαμβάνει τιμές «0» ή «1» ή και τα δύο μαζί. Αυτή η ιδιότητα έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται με γεωμετρική πρόοδο η μνήμη και η ταχύτητα των κβαντικών υπολογιστών. Όγκος δεδομένων που με τους σημερινούς υπολογιστές, ακόμη και τους πιο ισχυρούς, απαιτείται χρονικό διάστημα πολλών ετών για να γίνει η επεξεργασία τους με τους κβαντικούς υπολογιστές η επεξεργασία θα γίνεται πριν προλάβει ο ερευνητής που πάτησε το enter να πιει μια γουλιά από τον καφέ του. Αυτή η δυαδικότητα καθιστά τους κβαντικούς υπολογιστές πανίσχυρους μα και εύθραυστους, καθώς κινδυνεύουν να καταρρεύσουν χωρίς προειδοποίηση, καθιστώντας ιδιαίτερα σημαντική μια διαδικασία ονόματι error correction, διόρθωση λάθους.

Η νέα πρόταση

Το μηχάνημα που δημιούργησε η ερευνητική ομάδα τροφοδοτείται από ένα μόνο φωτόνιο ενσωματωμένο σε μια οπτική ίνα σε σχήμα δακτυλίου. Το μηχάνημα είναι μια απόδειξη της ιδέας και μπορεί να ολοκληρώσει μαθηματικές πράξεις όπως παραγοντοποίηση πρώτων αριθμών — όπως 15 = 5 x 3.

Πολλοί κβαντικοί υπολογιστές και επεξεργαστές, συμπεριλαμβανομένου του τσιπ Condor 1.000 qubit της IBM, κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα qubits. Αλλά για να αξιοποιήσουμε τους νόμους της κβαντικής μηχανικής και να υπολογίσουμε χρησιμοποιώντας κβαντική υπέρθεση – που επιτρέπει στο qubit να υπάρχει σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα – πρέπει να ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Αυτό απαιτεί πολύπλοκο εξοπλισμό που συνήθως καταλαμβάνει τουλάχιστον το μέγεθος ενός δωματίου

Τα φωτόνια έχουν προταθεί εδώ και καιρό ως εναλλακτική λύση στα υπεραγώγιμα qubits, σε ένα πεδίο γνωστό ως «οπτικός κβαντικός υπολογισμός». Τον Φεβρουάριο, οι επιστήμονες πρότειναν ότι η κατασκευή qubits από έναν μόνο παλμό λέιζερ θα μπορούσε να τους επιτρέψει να δημιουργήσουν έναν σταθερό κβαντικό υπολογιστή σε θερμοκρασία δωματίου, για παράδειγμα.

Στη νέα μελέτη, οι επιστήμονες κατασκεύασαν ένα μηχάνημα που μπορεί να επεξεργαστεί υπολογισμούς σε θερμοκρασία δωματίου. Και επειδή δεν χρειάζεται να κρυώσει, έχει το μέγεθος ενός τυπικού επιτραπέζιου υπολογιστή. «Ο κβαντικός υπολογιστής αποθηκεύει πληροφορίες σε «32 χρονικούς κάδους ή διαστάσεις μέσα στο κυματικό πακέτο ενός μόνο φωτονίου. Αυτό είναι ένα παγκόσμιο ρεκόρ για τον αριθμό των υπολογιστικών διαστάσεων που είναι προσβάσιμες από ένα μόνο qubit» είπε Τσούου Τσιχ-σουνγκ καθηγητής κβαντικής οπτικής στο Πανεπιστήμιο Tsing Hua στην Ταϊβάν, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.

Σε αντίθεση με τα υπεραγώγιμα qubit, τα φωτόνια μπορούν να διατηρήσουν μια σταθερή κβαντική κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου. Μια κβαντική μηχανή που χρησιμοποιεί φωτόνια καταναλώνει λιγότερη ενέργεια και είναι φθηνότερη στη λειτουργία της. Είναι επίσης πιο αποτελεσματικό να λειτουργεί από συστήματα που χρησιμοποιούν qubits παγιδευμένων ιόντων – φορτισμένα σωματίδια που αιωρούνται στον ελεύθερο χώρο από ηλεκτρομαγνητικά κύματα – τα οποία απαιτούν πολύπλοκα λέιζερ για να συντονίσουν με ακρίβεια την κβαντική τους κατάσταση.

Υπάρχουν ήδη οπτικοί κβαντικοί υπολογιστές με εκατοντάδες φωτόνια. Αλλά επειδή τα φωτόνια εμφανίζονται πιθανολογικά – που σημαίνει “είναι εκεί το ένα δευτερόλεπτο και εξαφανίζονται το επόμενο” – είναι δύσκολο να μαζευτούν σε μεγάλους αριθμούς λέει ο Τσούου που με τους συνεργάτες του συμπίεσαν όλες τις πληροφορίες σε ένα σταθερό φωτόνιο. Οι ερευνητές παρομοιάζουν αυτό το έργο με τη μετατροπή ενός ποδηλάτου που μπορεί να μεταφέρει ένα άτομο σε ένα τρένο 32 βαγονιών που μπορεί να χωρέσει έναν τεράστιο αριθμό επιβατών.

«Τα επόμενα βήματα είναι να συνεχιστεί η βελτίωση της χωρητικότητας αποθήκευσης ενός μόνο φωτονίου, ώστε να μπορεί να επεξεργάζεται ακόμη πιο σύνθετους υπολογισμούς. Δεδομένου ότι το μηχάνημα χρησιμοποιεί ένα φωτόνιο ως qubit, θα μπορούσε εύκολα να ενσωματωθεί σε μελλοντικά κβαντικά δίκτυα επικοινωνίας που χρησιμοποιούν φως για τη μετάδοση δεδομένων ή με άλλα κλασικά υπολογιστικά συστήματα που βασίζονται στο φως» λέει η ερευνητική ομάδα.