Ανεξάρτητα από τη συγκεκριμένη τεχνολογία που χρησιμοποιούν τα διάφορα μοντέλα κβαντικού επεξεργαστή, όλα στηρίζονται σε δύο βασικές αρχές που διέπουν τους νόμους των μικροσκοπικών σωματιδίων της ύλης και περιγράφονται από την Κβαντική Φυσική: Την αρχή της «υπέρθεσης» (superposition) και την αρχή της «διεμπλοκής» (entanglement).
Η πρώτη μας λέει ότι ένα σωματίδιο του μικρόκοσμου, που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση, τη μεταφορά και την επεξεργασία πληροφορίας (φωτόνιο, αν χρησιμοποιείται το φως και ηλεκτρόνιο, αν χρησιμοποιείται ηλεκτρισμός) μπορεί να βρίσκεται σε περισσότερες από μία καταστάσεις ταυτόχρονα – κάτι σαν τη στοιχειωμένη γάτα στο περίφημο νοητικό πείραμα του Σρέντιγκερ, η οποία μπορεί να είναι ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα μέχρι να ανοίξει το κουτί ο παρατηρητής.
Αυτή η αλλόκοτη συμπεριφορά του μικρόκοσμου, η τόσο αντίθετη με τις εμπειρίες της καθημερινής μας ζωής, έχει τεράστιες επιπτώσεις στην επεξεργασία της πληροφορίας. Στα συμβατικά ψηφιακά τρανζίστορ, κάθε μονάδα πληροφορίας (bit) μπορεί να πάρει αυστηρά μία από δύο προκαθορισμένες τιμές, 0 ή 1, ανάλογα αν περνάει ή δεν περνάει ρεύμα από ένα συγκεκριμένο κύκλωμα. Αντίθετα, στον κβαντικό επεξεργαστή, κάθε κβαντική μονάδα πληροφορίας (qubit) μπορεί να πάρει πολλές τιμές ταυτόχρονα, επομένως ο υπολογιστής είναι σε θέση να αποθηκεύει και να επεξεργάζεται πολύ μεγαλύτερες ποσότητες πληροφορίας.
Το πλεονέκτημα αυτό των κβαντικών επεξεργαστών ενισχύεται από τη δεύτερη αρχή, της διεμπλοκής, η οποία σε χονδρές γραμμές μας λέει ότι η κατάσταση ενός qubit επηρεάζει ακαριαία την κατάσταση ενός άλλου, απομακρυσμένου qubit. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την αστραπιαία επεξεργασία ασύλληπτου όγκου πληροφοριών. Η τεχνική που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες του Μπρίστολ αντιπροσωπεύει θεαματική βελτίωση, καθώς για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε ως βασική μονάδα μετάδοσης της πληροφορίας όχι ένα φωτόνιο, αλλά ζεύγος φωτονίων, γεγονός που αυξάνει κατά πολύ τις υπολογιστικές δυνατότητες. Το επόμενο, μάλλον ευκολότερο από τεχνική άποψη, βήμα θα είναι να κατασκευαστεί κβαντικός επεξεργαστής που θα βασίζεται σε συστήματα πολλών φωτονίων.
Ωστόσο, τα τεχνικά προβλήματα που μένει να αντιμετωπισθούν δεν είναι λίγα. Πέραν της ανάγκης να σχεδιαστούν, εκτός από τους κβαντικούς επεξεργαστές και τις αντίστοιχες μνήμες, κατάλληλες μονάδες εισόδου-εξόδου των δεδομένων, το βασικό πρόβλημα έγκειται στην πολύ μεγάλη ευαισθησία των κβαντικών υπολογιστών στο εξωτερικό περιβάλλον, καθώς η παραμικρή διαταραχή θερμοκρασίας, πίεσης κ. λπ. μπορεί να προκαλέσει κατάρρευση της υπολογιστικής διαδικασίας.
Φως στη «στοιχειωμένη αλληλεπίδραση» του 1935
Ο Αϊνστάιν την χαρακτήρισε «στοιχειωμένη αλληλεπίδραση» και η αλήθεια είναι ότι στο μυστηριώδες Σύμπαν του μικρόκοσμου, η λεγόμενη «κβαντική διεμπλοκή» αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο των μυστηρίων. Η ιστορία της άρχισε το 1935, όταν ο Αϊνστάιν, ο οποίος εκείνη την εποχή εργαζόταν στο πανεπιστήμιο του Πρίνστον, στις ΗΠΑ, πρότεινε ένα νοητικό πείραμα, το λεγόμενο EPR (από τα αρχικά του διάσημου Γερμανού θεωρητικού και των συνεργατών του, Ποντόλσκι και Ρόουζεν) για να στηρίξει την άποψή του, κατά την οποία η Κβαντική Φυσική ήταν ελλιπής και οδηγούσε σε απίθανα συμπεράσματα.
Αυτό που εν ολίγοις μας είπαν ο Αϊνστάιν και οι συνεργάτες του ήταν το εξής: Ας υποθέσουμε ότι από κάποια πηγή εκπέμπονται προς διαφορετικές κατευθύνσεις δύο σωματίδια που μέχρι εκείνη τη στιγμή αλληλεπιδρούσαν – π.χ. δύο ηλεκτρόνια ή δύο φωτόνια. Αν μετά από κάποιο χρόνο αλλάξουμε την κατάσταση του ενός σωματιδίου, αυτομάτως θα αλλάξει με απολύτως καθορισμένο τρόπο η κατάσταση και του άλλου, ακόμη κι αν βρίσκεται μίλια μακριά, λες και υπάρχει κάποιου είδους μυστική και ακαριαία «συνεννόηση» μεταξύ τους!
Αργότερα, ένας Ιρλανδός μαθηματικός, ο Τζον Μπελ, πρότεινε έναν τρόπο να ελεγχθεί πειραματικά αυτή η ιδέα, η οποία, όσο τρελή κι αν ακουγόταν, αποτελούσε αναπόφευκτο επακόλουθο της Κβαντικής Θεωρίας.
Πράγματι, το 1982 ο Γάλλος φυσικός Αλέν Ασπέκτ εκτέλεσε οπτικό πείραμα που επιβεβαίωσε πανηγυρικά το παράδοξο φαινόμενο EPR και μαζί του την Κβαντική Θεωρία, μεγεθύνοντας ταυτόχρονα τα ερωτήματα για τα επιστημολογικά της θεμέλια. Πριν από λίγους μήνες, ομάδα Γάλλων, Γερμανών και Ισπανών επιστημόνων επιβεβαίωσε για πρώτη φορά την κβαντική διεμπλοκή και στο επίπεδο ηλεκτρονικών κυκλωμάτων με ημιαγωγούς, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών.
Το Προσωπο: Άλμπερτ Αϊνστάιν
Είναι γνωστό ότι ο Άλμπερτ Αϊνστάιν τιμήθηκε με το Βραβείο Νομπέλ Φυσικής όχι για τον προσωπικό του άθλο, τη Θεωρία της Σχετικότητας, αλλά για τη συμβολή του στο συλλογικό δημιούργημα της Κβαντικής Θεωρίας, με την οποία ουδέποτε, σε όλη τη διάρκεια της ζωής του, συμφιλιώθηκε. Ηδη το 1912, επτά χρόνια μετά τη δημοσίευση της σχετικής εργασίας που θα του χάριζε το Νομπέλ, αντιμετωπίζει την καινούργια θεωρία, που βρίσκεται ακόμη στη βρεφική της ηλικία, σαν άλλος δρ Φρανκενστάιν – ένα τέρας, για τη γέννηση του οποίου φέρει βαριά, προσωπική ευθύνη: «Δεν μπορεί κανείς να πιστέψει την ύπαρξη μετρήσιμων κβάντων», δήλωσε κατηγορηματικά στα λαμπρότερα επιστημονικά μυαλά της εποχής του, στο συνέδριο Σολβέ, για να προσθέσει: «Οσο μεγαλύτερη επιτυχία σημειώνει η κβαντική θεωρία τόσο πιο ανόητη φαίνεται»!
Τα χειρότερα, για τον Αϊνστάιν, ήρθαν τη διετία 1926-1927, πρώτα με την περίφημη εξίσωση του Αυστριακού φυσικού Ερβιν Σρέντινγκερ, όπου οι θεμελιώδεις νόμοι του μικροκόσμου περιγράφονται με όρους πιθανοτήτων, και έπειτα με τη διατύπωση της αρχής της αβεβαιότητας από τον Γερμανό συνάδελφό του Βέρνερ Χάιζενμπεργκ. Η αλλεργία του Αϊνστάιν για οποιαδήποτε μορφή πιθανοκρατίας και η εμμονή του στο πρότυπο ενός απολύτως αιτιοκρατικού Σύμπαντος αποτυπώθηκαν στο πασίγνωστο: «Εγώ, όπως και να έχει, είμαι πεπεισμένος ότι Αυτός δεν παίζει ζάρια».
Η «εσωτερική φωνούλα» αποδείχθηκε εσφαλμένη και στοίχισε σ’ αυτό το τρομερό μυαλό δεκαετίες ερευνητικών περιπλανήσεων σε άγονους δρόμους. Ωστόσο, ο Αϊνστάιν υπήρξε μεγάλος ακόμη και στην πλάνη του, γιατί πάνω απ’ όλα ήταν πάντα διανοητικά έντιμος. Οταν κλήθηκε να υποβάλει προτάσεις στην επιτροπή του Βραβείου Νομπέλ Φυσικής, πρότεινε δύο ανθρώπους: τον Σρέντιγκερ και τον… Χάιζενμπεργκ! Στη σχετική επιστολή του εξηγούσε: «Είμαι βέβαιος ότι η εν λόγω θεωρία εμπεριέχει αναμφίβολα ένα μέρος της απόλυτης αλήθειας». Και στο λυκόφως της ζωής του, το 1953, σημείωνε με θλίψη ότι «είναι αμφίβολο» κατά πόσο θα μπορούσε ποτέ να υπάρξει μια καλύτερη φυσική θεωρία, πέρα από τις καταραμένες πιθανότητες της κβαντικής φυσικής, για να προσθέσει:
«Και όμως, τα παρηγορητικά λόγια του Λέσινγκ δεν λένε να φύγουν από το μυαλό: Ο πόθος για την αλήθεια είναι πολυτιμότερος από την επιβεβαιωμένη κατάκτησή της».
