Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Γιέηλ δημιούργησε τον πρώτο υποτυπώδη κβαντικό επεξεργαστή στερεάς κατάστασης, ένα ακόμη βήμα προς το τελικό όνειρο της ανάπτυξης του κβαντικού υπολογιστή. Ο υπολογιστής του μέλλοντος πιθανότατα θα είναι κβαντικός, ώστε να αυξηθεί σε μεγάλο βαθμό η χωρητικότητα και η ταχύτητα επεξεργασίας των πληροφοριών.
Επίσης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα υπεραγώγιμο τσιπ των δύο qubit για να εκτελέσουν με επιτυχία στοιχειώδεις αλγορίθμους, όπως μια απλή αναζήτηση, επιδεικνύοντας για πρώτη φορά μια κβαντική επεξεργασία πληροφοριών με τσιπ στερεάς κατάστασης.
"O επεξεργαστής μας μπορεί να εκτελεί πολύ λίγες απλές κβαντικές εργασίες μόνο, οι οποίες είχαν επιδειχθεί πριν με απλούς πυρήνες, άτομα και φωτόνια με τη βοήθεια λέιζερ ή αιωρούμενα ιόντα με τη βοήθεια ισχυρών μαγνητών”, ανέφερε ο Robert Schoelkopf, Καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής στο Γιέηλ. "Αλλά τώρα είναι η πρώτη φορά που έγινε δυνατή μια ηλεκτρονική συσκευή που να μοιάζει και να αισθάνεται πολύ περισσότερο με ένα κανονικό μικροεπεξεργαστή."
Σε συνεργασία με μια ομάδα θεωρητικών φυσικών με επικεφαλής τον Steven Girvin, καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής, η ομάδα κατασκεύασε δύο τεχνητά άτομα, ή qubits ( κβαντικά bits). Ενώ κάθε qubit στην πραγματικότητα αποτελείται από ένα δισεκατομμύριο άτομα αργιλίου, λειτουργεί σαν ένα μόνο άτομο που μπορεί να καταλάβει δύο διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις. Οι καταστάσεις αυτές είναι παρόμοιες με το "1" και "0" ή το "on" και το "off" των συνηθισμένων υπολογιστών. Ωστόσο, λόγω των παράξενων νόμων της κβαντικής μηχανικής οι επιστήμονες μπορούν να τοποθετούν την ίδια στιγμή qubits σε μία "υπέρθεση" πολλαπλών καταστάσεων (όπου είναι δυνατόν να υπάρχουν ταυτόχρονα όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί), επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την αποθήκευση περισσότερης πληροφορίας και φυσικά μεγαλύτερη ισχύ επεξεργασίας.
Επίσης, τα κβαντικά bits ή qubits μπορούν να αξιοποιήσουν μια άλλη παράξενη κβαντική ιδιότητα, την κβαντική διεμπλοκή, κατά την οποία η κατάσταση μιας κβαντικής μονάδας πληροφορίας (δηλαδή ενός qubit) επηρεάζει αυτομάτως την κατάσταση ενός άλλου qubit που βρίσκεται σε απόσταση από το πρώτο. Έτσι, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να χρησιμοποιούν qubits σε κβαντική διεμπλοκή για να επεξεργάζονται αστραπιαία τις πληροφορίες.
Ο επεξεργαστής με δύο qubit είναι ο πρώτος κβαντικός επεξεργαστής στερεάς κατάστασης που μοιάζει με ένα συμβατικό τσιπ υπολογιστή ενώ είναι σε θέση να εκτελέσει απλούς αλγορίθμους
Η διάταξη της ομάδας του Γιέηλ, αποτελείται από δύο «transmon qubits», δηλαδή από μικροσκοπικά κομμάτια ενός υπεραγώγιμου υλικού, το οποίο αποτελείται από ένα φιλμ νιοβίου πάνω σε ένα λεπτό υπόστρωμα οξειδίου του αργιλίου, όπου έχουν χαραχτεί κενά. Το ηλεκτρικό ρεύμα διατρέχει αυτά τα κενά, ενώ τα δύο qubits του πρωτότυπου αυτού ηλεκτρονικού επεξεργαστή είναι διαχωρισμένα από μια κοιλότητα που περιέχει μικροκύματα.
Το πλεονέκτημα είναι ότι όλη η συσκευή αποτελείται από στερεά υλικά, ενώ παράγεται με την χρήση καθιερωμένων βιομηχανικών τεχνικών. Όμως υπάρχουν και σημαντικές διαφορές με έναν συμβατικό κομπιούτερ, αφού ο νέος κβαντικός επεξεργαστής λειτουργεί λίγο πάνω από την θερμοκρασία του απολύτου μηδενός (μείον 273,15 βαθμοί Κελσίου), γεγονός που απαιτεί εξειδικευμένη τεχνολογία ψύξης.
Το σύστημα επεξεργάστηκε δύο αλγορίθμους γραμμένους ειδικά για κβαντικά συστήματα. Ο ένας, ο λεγόμενος «αλγόριθμος αναζήτησης του Γκρόβερ», χρησιμοποιείται για να αναζητήσει ο επεξεργαστής, μέσα από ένα τηλεφωνικό κατάλογο, το όνομα κάποιου, όταν το τηλέφωνο είναι γνωστό. Ο νέος κβαντικός επεξεργαστής είχε επιτυχία 80% στις σχετικές αναζητήσεις.
Αυτά τα είδη των υπολογισμών, αν και απλοί, δεν ήταν δυνατόν να γίνουν με qubits στερεάς κατάστασης μέχρι σήμερα, εν μέρει επειδή οι επιστήμονες δεν ήταν σε θέση να διατηρήσουν qubits για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ενώ τα πρώτα qubits πριν από μια δεκαετία ήταν σε θέση να διατηρήσουν ειδικές κβαντικές καταστάσεις μόνο για, περίπου, ένα νανοδευτερόλεπτο, ο Schoelkopf και η ομάδα του είναι πλέον σε θέση να διατηρήσουν τα δικά τους qubits για ένα μικροδευτερόλεπτο – χίλιες φορές μεγαλύτερο διάστημα, που είναι αρκετό για να εκτελέσουν έναν απλό αλγόριθμο. Για να εκτελέσουν τις εργασίες τους, τα qubits επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας "quantum bus" – φωτόνια (μικροκύματα ορισμένης συχνότητας ώστε τα qubits να εισέρχονται στην κατάσταση της «κβαντικής διεμπλοκής» και της «κβαντικής υπέρθεσης»), που μεταδίδουν πληροφορίες μέσω της τηλεφωνικής γραμμής που συνδέουν τα qubits – που αναπτύχθηκε προηγουμένως από την ομάδα του Yale.
Το κλειδί που έκρινε την κατασκευή του επεξεργαστή των δύο qubit ήταν η μετάβαση από "on" σε "off" ακαριαία, έτσι ώστε να ανταλλάσσονται πληροφορίες γρήγορα και μόνο όταν οι ερευνητές τις ήθελαν, δήλωσε ο Leonardo DiCarlo, συνεργάτης στην Εφαρμοσμένη Φυσική του Yale και επικεφαλής της δημοσίευσης.
"Είμαστε ακόμη πολύ μακριά από την κατασκευή ενός πρακτικού κβαντικού υπολογιστή, αλλά αυτό που έγινε είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός".
Η ερευνητική ομάδα του Γιέηλ ήδη εργάζεται για να προσθέσει πάνω από δύο qubits στον επεξεργαστή, ώστε να αυξήσει την επεξεργαστική ισχύ του (κάθε qubit που προστίθεται, πολλαπλασιάζει την ταχύτητα επεξεργασίας των δεδομένων). Όπως δήλωσαν οι ερευνητές, μέχρι τρία ή τέσσερα qubits τα προβλήματα φαίνεται να ξεπερνιούνται, για να υπάρξουν όμως δέκα qubits- τα πράγματα δυσκολεύουν ιδιαίτερα.
Τα ευρήματα των δύο φυσικών θα δημοσιευτούν στο Nature
Πηγή: ScienceDaily
Σχετικά άρθρα
1. Κβαντική πληροφορία: Οι κανόνες για ένα πολύπλοκο κβαντικό κόσμο
2. Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά η κβαντική διεμπλοκή
3. Οι επιστήμονες καταδεικνύουν την κβαντική φύση της ανταλλαγής της εμπλοκής
4. Προχωράει η κβαντική τηλεμεταφορά
5. Για πρώτη φορά έγινε τηλεμεταφορά με άτομα
6. Φυσικοί μαθαίνουν πως να κάνουν τηλεμεταφορά και κβαντικό τηλεκλωνισμό συγχρόνως
Leave a Comment