Φυσική

Στην προσπάθειά τους να κατασκευάσουν έναν υπολογιστή που θα εκμεταλλεύεται τις παράδοξες ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής, οι φυσικοί ακολουθούν διάφορες ετερόκλητες τεχνολογικές προσεγγίσεις, μεταξύ των οποίων υπεραγώγιμες και σπιντρονικές διατάξεις, φωτονικά συστήματα, κβαντικές κουκκίδες και τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό μορίων. Εντούτοις τους τελευταίους μήνες, ομάδες που εργάζονται πάνω σε παγιδευμένα ατομικά ιόντα πέτυχαν μερικούς άθλους, τους οποίους οι άλλες προσεγγίσεις θα δυσκολευτούν πολύ να αναπαραγάγουν.

Ένας κβαντικός υπολογιστής λειτουργεί με κβαντικά μπιτ, ή q-μπιτ, και όχι με τα συνήθη μπιτ. Οι τιμές που μπορεί να πάρει ένα q-μπιτ δεν περιορίζονται μόνο στο 0 και το 1, αλλά μπορεί να είναι και υπέρθεσή τους, στην οποία οι δύο προηγούμενες τιμές συνδυάζονται με κατάλληλες αναλογίες δίνοντας μία και μόνο κατάσταση.

Μια σημαντική κατηγορία υπερθέσεων πολλών q-μπιτ είναι οι διαπλεγμένες καταστάσεις. Σε τούτες τις διαμορφώσεις, η κατάσταση κάθε q-μπιτ διασυνδέεται ευαίσθητα με εκείνη των συντρόφων του, μια διασύνδεση την οποία ο ίδιος ο Αλμπερτ Αϊνστάιν αποκήρυξε με τον αφορισμό «υπερφυσική δράση εξ αποστάσεως». Για παράδειγμα, στη λεγόμενη κατάσταση της «γάτας τού Schrödinger», όλα τα q-μπιτ δίνουν κατά τη μέτρηση το ίδιο αποτέλεσμα -0 ή 1-, παρά το ότι η επιλογή μεταξύ 0 και 1 είναι απολύτως τυχαία. (Η παραπάνω ονομασία προέρχεται από το περίφημο νοητικό πείραμα στο οποίο το 0 και το 1 αντιστοιχούν σε νεκρή και ζωντανή γάτα, ενώ ως q-μπιτ λαμβάνονται όλα τα σωματίδια που τη συγκροτούν.)

Οι καταστάσεις τύπου «γάτας τού Schrödinger» αποτελούν θεμελιώδεις δομικούς λίθους σε τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων στα q-μπιτ. Από αυτού του είδους τα σφάλματα πάσχουν όλες οι καθιερωμένες προσεγγίσεις του κβαντικού υπολογισμού, καθότι οι καταστάσεις των q-μπιτ είναι εξαιρετικά εύθραυστες.

Μια ομάδα ερευνητών του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Μπόουλντερ του Κολοράντο, με επί κεφαλής τούς David J. Wineland και Dietrich Leibfried, δημιούργησαν τώρα καταστάσεις τύπου «γάτας τού Schrödinger» απαρτιζόμενες από 4, 5 και 6 ιόντα βηρυλλίου. Τα ιόντα συγκρατούνται σε σειρά στο κενό από μια ηλεκτρομαγνητική παγίδα, ενώ ο χειρισμός των καταστάσεών τους γίνεται με λέιζερ. Η ομάδα εκτιμά ότι οι εξαμελείς ιοντικές καταστάσεις τους τύπου ««γάτας τού Schrödinger» διατηρούνται για περίπου 150 μικροδευτερόλεπτα.

Στην Αυστρία, οι Rainer Blatt και Hartmut Haeffner και οι συνάδελφοί τους στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ βασίστηκαν σε μια παρόμοια τεχνική για την παραγωγή μιας διαπλεγμένης κατάστασης οκτώ ιόντων ασβεστίου. Στα πειράματα αυτά δημιουργήθηκε μια «κατάσταση W», και όχι τύπου «γάτας τού Schrödinger». Οι καταστάσεις W είναι από πολλές πλευρές ανθεκτικότερες από τις τύπου «γάτας τού Schrödinger». Για παράδειγμα, μια κατάσταση W μπορεί να χάσει ένα ιόν της, όμως τα εναπομείναντα ιόντα της θα εξακολουθήσουν να βρίσκονται στην κατάσταση W. Αντίθετα, η απώλεια ενός ιόντος από μια κατάσταση τύπου «γάτας τού Schrödinger» επιφέρει την καταστροφή ολόκληρης της κατάστασης.

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό και των δύο πειραμάτων είναι ότι, καταρχήν, οι τεχνικές μπορούν να ενσωματώσουν μεγαλύτερους αριθμούς ιόντων. Ωστόσο, ένα εμπόδιο στην κλιμάκωση των παραπάνω προσεγγίσεων ήταν ότι η ποιότητα της διαπλεγμένης κατάστασης μειωνόταν με την αύξηση του αριθμού των ιόντων. Για να ελαττώσουν το σφάλμα αυτό, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να προβούν σε ρύθμιση των λεπτομερών χαρακτηριστικών των παλμών λέιζερ, να χρησιμοποιήσουν διαφορετικές καταστάσεις ιόντων για την αναπαράσταση του 0 και του 1 ή να εργαστούν με ένα εντελώς διαφορετικό είδος ιόντων.

Για να έχει ένας κβαντικός υπολογιστής κάποια χρησιμότητα, πρέπει να μπορούμε να δημιουργούμε όχι μόνο ειδικές καταστάσεις q-μπιτ, αλλά και να τις χειριζόμαστε με τέτοιο τρόπο ώστε να διατηρούνται τα κβαντικά χαρακτηριστικά τους. Δηλαδή, να εκτελούμε κβαντικούς αλγορίθμους στον υπολογιστή μας. Μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν στο Αν Αρμπορ με επί κεφαλής τούς Christopher Monroe και Kathy-Anne Brickman παρουσίασε πρόσφατα έναν αλγόριθμο γνωστό ως κβαντική αναζήτηση Grover σε ένα σύστημα δύο παγιδευμένων ιόντων καδμίου.

Ο αλγόριθμος αναζήτησης αναδιφά μια βάση δεδομένων της οποίας οι καταχωρίσεις εισήχθησαν με τυχαία σειρά. Η αναζήτηση ενός συγκεκριμένου στοιχείου δεδομένων απαιτεί συνήθως την εξέταση κάθε καταχώρισης. Ο κβαντικός αλγόριθμος αναζήτησης είναι όμως μαγευτικά ταχύτερος, διότι ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να σταθμοσκοπήσει όλες τις καταχωρίσεις της βάσης δεδομένων μονομιάς, μέσω μιας υπέρθεσής τους. Η αύξηση της ταχύτητας γίνεται σημαντικότερη για μεγαλύτερες βάσεις δεδομένων. Για παράδειγμα, για μια βάση δεδομένων 1 εκατομμυρίου καταχωρίσεων θα απαιτούνταν μόλις 1.000 αναζητήσεις περίπου, αντί για 1 εκατομμύριο.

Το πείραμα του Αν Αρμπορ διεξήχθη με το ισοδύναμο μιας βάσης δεδομένων 4 καταχωρίσεων, οι οποίες αναπαρίσταντο από 2 q-μπιτ. Οι ερευνητές δηλώνουν ότι το σύστημά τους μπορεί να μεγεθυνθεί υπό κλίμακα ώστε να περιλαμβάνει μεγαλύτερο πλήθος q-μπιτ.

Με τα αποτελέσματα να έρχονται τόσο πυκνά και γρήγορα δεν είναι να απορεί κανείς που, όπως λέει ο Monroe, «πολλοί έχουν την αίσθηση ότι οι ιοντικές παγίδες προπορεύονται κατά πολύ των υπόλοιπων τεχνολογιών όσον αφορά την προσπάθεια κατασκευής ενός μεγάλης κλίμακας κβαντικού υπολογιστή».

Επιστημονικά Νέα - Απρίλιος, 2006