Υπολογιστική

Πριν από την έλευση του ηλεκτρισμού, προ εκατοπεντηκονταετίας, οι πρώτοι υπολογιστές ήταν μηχανικοί, με τη Μηχανή Διαφορών, την εφεύρεση του περίφημου Charles Babbage, να εκτελεί λογαριθμικούς και τριγωνομετρικούς υπολογισμούς. Σήμερα, οι προηγμένοι κβαντικοί υπολογιστές ενδέχεται να επιστρέψουν στις μηχανικές ρίζες τους, χρησιμοποιώντας ως κινούμενα μέρη σειρές από ράβδους νανομετρικής κλίμακας. Οι παράξενοι νόμοι της κβαντικής φυσικής ορίζουν ότι αντικείμενα με μέγεθος μορίου ή μικρότερο μπορεί να υπάρχουν σε δύο ή περισσότερα μέρη ή καταστάσεις ταυτόχρονα. Μια παρατήρηση ή κάποια άλλη δράση τα εξαναγκάζει να εγκαταλείψουν αυτή την «υπέρθεση», η οποία καταρρέει, οδηγώντας σε μία και μοναδική έκβαση. Θεωρητικά, δεδομένου ότι τα κβαντικά μπιτ, ή αλλιώς «q-μπιτ», μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα τόσο στην κατάσταση 1 όσο και στην κατάσταση 0, ένας κβαντικός υπολογιστής με μόλις 300 q-μπιτ είναι ικανός να εκτελεί σε μια στιγμή περισσότερους υπολογισμούς απ’ όσα άστρα έχει το Σύμπαν. Οι υπάρχουσες μέθοδοι για τη δημιουργία q-μπιτ στηρίζονται στην παγίδευση ατόμων με λέιζερ ή το χειρισμό πυρηνικών σπιν σε ημιαγωγικούς κρυστάλλους, για να μην επεκταθούμε σε άλλες προσεγγίσεις. Αυτές οι τεχνικές, ωστόσο, είναι εξαιρετικά ευαίσθητες, και η ελάχιστη διαταραχή μπορεί να καταστρέψει πρόωρα την υπέρθεση των q-μπιτ. Στην καλύτερη περίπτωση, οι ερευνητές δεν πέτυχαν να «διαπλέξουν», ή να συσχετίσουν, παρά λίγα μόνο q-μπιτ ώστε να υλοποιήσουν απλές λογικές πράξεις.

Μια πιο ανθεκτική εναλλακτική λύση πιθανόν να προσέφεραν τα q-μπιτ μηχανικής βάσεως. Φανταστείτε μια μετροταινία που την έχουμε ξετυλίξει σε μήκος μερικών εκατοστών, εξηγεί ο θεωρητικός φυσικός Franco Nori, του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν στο Αν Αρμπορ και του Frontier Research System του RIKEN κοντά στο Τόκιο. «Συμπιέστε την κατά το μήκος της. Η μετροταινία θα λυγίσει ή προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά». Αν συρρικνωνόταν σε επίπεδο νανομέτρων, η μετροταινία θα μπορούσε να υπάρχει σε μια υπέρθεση κάμψεων και προς τα δεξιά και προς τα αριστερά. Σε μια εργασία που έχει υποβληθεί στο Physical Review Letters, ο Nori και οι συνεργάτες του Sergey Savel’ev και Xuedong Hu προτείνουν τη χρησιμοποίηση νανοσωλήνων άνθρακα ή ράβδων κατασκευασμένων από πυρίτιο ως μηχανικών q-μπιτ.

Ένας μηχανικός κβαντικός υπολογιστής θα αποτελούνταν από μοριακές ράβδους μήκους 10 έως 30 νανομέτρων σε σειρές που θα απείχαν η μία από την άλλη περίπου 10 νανόμετρα. Κάθε ράβδος θα έφερε ένα ηλεκτρικό φορτίο, τα πεδία των οποίων θα διέπλεκαν από κοινού τις συμπεριφορές τους, επιτρέποντας στα q-μπιτ να δρουν συντονισμένα. Οι ράβδοι μπορούν να συμπιεστούν είτε μηχανικά είτε ηλεκτρικά, και η ανίχνευση της κατάστασης της κάθε ράβδου ―των ενδείξεων εξόδου του κβαντικού υπολογιστή― μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε οπτικά είτε ηλεκτρικά.

Είναι ακόμη πολύ νωρίς για να κρίνουμε κατά πόσον τα μηχανικά q-μπιτ θα μπορέσουν αληθινά να εξελιχθούν σε πρόκληση για άλλες προσεγγίσεις στην υλοποίηση των q-μπιτ, όπως τα υπεραγώγιμα κυκλώματα, τα οποία επίσης ανήκουν στην επικράτεια της φυσικής στερεάς κατάστασης. «Στις υπεραγώγιμες συσκευές έχει επενδυθεί δουλειά μίας περίπου τεσσαρακονταετίας, και έτσι έχουν συγκεντρωθεί πολλές γνώσεις για τα συστήματα αυτά και έχουν λυθεί πολλά προβλήματα» υπογραμμίζει ο φυσικός Andrew Cleland, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα. Από την άλλη, συμπληρώνει ο Cleland, το δυνητικό πλεονέκτημα ενός μηχανικού συστήματος έναντι ενός ηλεκτρονικού ομολόγου του έγκειται στο ότι τα q-μπιτ του ενδέχεται λόγω της φύσης τους να χάνουν ενέργεια βραδύτερα και έτσι να παραμένουν σε κατάσταση υπέρθεσης επί μακρότερον, κάτι που θα τους επιτρέπει να εκτελούν χρησιμότερους, πολύπλοκους υπολογισμούς.

Ο Nori, ο Savel’ev και ο Kasumov σχεδιάζουν να ολοκληρώσουν αυτό το χρόνο έναν κύκλο προκαταρκτικών πειραμάτων πάνω στο λύγισμα νανοσωλήνων, εργαζόμενοι με νανοσωλήνες εντός κενού και σε θερμοκρασίες πλησίον του απόλυτου μηδενός προκειμένου να αποφύγουν τυχόν «ανεπιθύμητες διαταραχές» λόγω παρουσίας μορίων αερίου ή θερμικών διακυμάνσεων. Αν, όπως ελπίζουν, παρατηρήσουν τους νανοσωλήνες σε κατάσταση υπέρθεσης, ο Nori εκτιμά ότι θα χρειαστούν από 1 έως 3 χρόνια για να υλοποιήσουν τα μηχανικά τους q-μπιτ. Ο ίδιος επισημαίνει ότι το πεδίο προοδεύει ταχύτατα ―ο φυσικός Pritiraj Mohatny, του Πανεπιστημίου της Βοστόνης, και οι συνεργάτες του περιέγραψαν στο Physical Review Letters μονοκρυσταλλικές ράβδους από πυρίτιο σε μέγεθος νανομέτρου οι οποίες ταλαντεύονται μεταξύ δύο διαφορετικών θέσεων. Και ο Nori σχολιάζει: «Μπορώ να φανταστώ τον Charles Babbage να χαμογελά πλατιά τούτη τη στιγμή.»

Επιστημονικά Νέα - Μάϊος, 2005