Νέος τρόπος κατασκευής κυκλωμάτων για τους πρώτους χρήσιμους κβαντικούς υπολογιστές

Ένα βήμα πιο κοντά στους κβαντικούς υπολογιστές φαίνεται ότι οδηγούν τα αποτελέσματα έρευνας που δημοσιεύεται στο τρέχον τεύχος του περιοδικού Science. Μια ερευνητική ομάδα επινόησε και επέδειξε ένα νέο τρόπο να οργανώνεται πολύ περισσότερη κβαντική υπολογιστική ισχύς μέσα σε πολύ μικρότερο χώρο και με πολύ μεγαλύτερο έλεγχο από ότι μέχρι τώρα. Η ερευνητική πρόοδος έγινε από τον καθηγητή φυσικής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας, David S. Weiss και μια ομάδα τριών φοιτητών του εργαστηρίου του.

Χρησιμοποιήθηκε μια τρισδιάστατη διάταξη ατόμων σε κβαντικές καταστάσεις που αποκαλούνται quantum bits ή qubits. «Το αποτέλεσμα των ερευνών είναι ένα από τα πολλά σημαντικά βήματα που χρειάζονται στον δρόμο για να καταφέρουμε να κάνουμε κβαντικούς υπολογιστές που θα είναι χρήσιμοι στο να κάνουν υπολογισμούς που είναι αδύνατο να γίνουν σήμερα, πράγμα που θα έχει εφαρμογές στην κρυπτογραφία για την ασφάλεια των ηλεκτρονικών δεδομένων και άλλων πεδίων εντατικών υπολογισμών», δήλωσε ο Weiss.

Η νέα τεχνική χρησιμοποιεί τόσο φως λέιζερ όσο και μικροκύματα για να ελεγχθεί με ακρίβεια η αλλαγή επιλεγμένων μεμονωμένων qubits, από μια κβαντική κατάσταση σε μια άλλη χωρίς την αλλαγή των άλλων ατόμων στην κυβική διάταξη. Η νέα τεχνική δείχνει τη δυναμική χρήση των ατόμων ως δομικά στοιχεία κυκλωμάτων σε μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ένα καινοτόμο τρόπο να διευθετήσουν και να ελέγξουν με ακρίβεια τα qubits, που είναι απαραίτητα για την πραγματοποίηση υπολογισμών σε ένα κβαντικό υπολογιστή. «Η μελέτη μας δείχνει ότι αυτή η καινοτόμα προσέγγιση είναι ένας ακριβής, σωστός και αποτελεσματικός τρόπος για να ελεγχθούν μεγάλα σύνολα qubits για κβαντικούς υπολογισμούς», λέει ο Weiss.


Κβαντικές λειτουργίες μεμονωμένων ατόμων με μοτίβα P – S – U σε τρια διαφορετικά επίπεδα στοιβαγμένα σε μια κυβική διευθέτηση

Για να οργανώσουν τα (κβαντικά) άτομα σε μια τρισδιάστατα τακτοποιημένη διάταξη για τα πειράματά τους, η ομάδα των ερευνητών κατασκεύασε ένα πλέγμα από δέσμες φωτός για να παγιδεύσει και να συγκρατήσει τα άτομα σε μια κυβική διευθέτηση πέντε στοιβαγμένων επιπέδων – όπως ένα σάντουιτς φτιαγμένο από πέντε φέτες ψωμιού – με κάθε επίπεδο να έχει χώρο για 25 ατόμων που ισαπέχουν. Η διευθέτηση διαμορφώνει έναν κύβο με μια τακτοποιημένη διάταξη ατομικών θέσεων για 125 άτομα. Οι επιστήμονες γέμισαν ορισμένες από τις δυνατές θέσεις με qubits που συνίστανται από ουδέτερα – χωρίς θετικά ή αρνητικά φορτία – άτομα κεσίου. Αντίθετα από τα bits σε έναν κλασικό υπολογιστή, που τυπικά είναι είτε 1 είτε 0, κάθε ένα από τα qubits στο πείραμα της ομάδας του Weiss έχει την (δύσκολα να τη φανταστεί κάποιος) ικανότητα να είναι σε περισσότερες από μια καταστάσεις ταυτόχρονα – ένα κεντρικό χαρακτηριστικό της κβαντομηχανικής που ονομάζεται κβαντική υπέρθεση.

Με την εφαρμογή διασταυρωνόμενων δεσμών φωτός λέιζερ για να στοχεύονται συγκεκριμένα άτομα στο πλέγμα και την εφαρμογή ενός ομοιόμορφου «λουτρού» μικροκυμάτων σε όλη τη διάταξη έγινε κατορθωτό από τους επιστήμονες να αλλάζουν τις καταστάσεις και τα ενεργειακά επίπεδα ορισμένων ατόμων, ενώ τις καταστάσεις των υπολοίπων όχι. «Έχουμε θέση τα περισσότερα qubits σε διαφορετικές, ακριβείς κβαντικές καταστάσεις υπέρθεσης ταυτόχρονα από κάθε προηγούμενο πειραματικό σύστημα», είπε ο Weiss.

Μεταξύ των στόχων που έχει η ερευνητική ομάδα του Weiss είναι να οδηγήσουν τα qubits να έχουν διεμπλεκόμενες κβαντικές κυματοσυναρτήσεις όπου η κατάσταση του ενός σωμάτιου είναι ρητά συσχετιζόμενη με την κατάσταση των υπολοίπων σωματίων που βρίσκονται γύρω του. Σύμφωνα με τον Weiss αυτή η διεμπλεκόμενη σύνδεση μεταξύ των qubits είναι βασικό στοιχείο που απαιτείται για τους κβαντικούς υπολογιστές.