Νέοι υπολογιστές που λειτουργούν με φως, πετυχαίνουν κβαντικές ταχύτητες

Από σελίδα του UniSci της 16ης Μαΐου 2001

Ένα απλό κομπιούτερ που συνδυάζει την εκπληκτική υπολογιστική ισχύ της κβαντομηχανικής με την ευκολία του χειρισμού του φωτός αναπτύχθηκε από τους ερευνητές του πανεπιστημίου του Rochester.
Η συσκευή αυτή αποδεικνύει ότι μια ειδική κβαντική ιδιότητα σωματιδίων που επιτρέπει στους επιστήμονες να κάνουν τεράστιο αριθμό υπολογισμών σχεδόν στιγμιαία, μπορεί ν’ αντικατασταθεί με την αντίστοιχη ιδιότητα του φωτός το οποίο όμως έχει το πρακτικό πλεονέκτημα πολύ πιο εύκολου ελέγχου.
Το αποτέλεσμα μπορεί να είναι ένας υπολογιστής που εκτελεί μερικές εργασίες ένα δισεκατομμύριο φορές ταχύτερα από τους σημερινούς υπερυπολογιστές και χρησιμοποιεί μια σχετικά απλή τεχνολογία.
Η έρευνα για την πραγματοποίηση της συσκευής ανακοινώθηκε στο συνέδριο για Lasers και Ηλεκτροοπτικά Κβαντικά Ηλεκτρονικά συστήματα στην πόλη Baltimore στις ΗΠΑ.

Η συσκευή μιμείται την κβαντική συμβολή, μια σημαντική ιδιότητα που κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές εκθετικά ταχύτερους των συμβατικών σε εργασίες όπως το σπάσιμο κρυπτογραφικών κωδίκων ή το ψάξιμο σε τεράστιες βάσεις δεδομένων.

Αντί για την συμβολή, οι συμβατικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τα ηλεκτρόνια για να κάνουν τις διάφορες εργασίες διαδοχικά, όπως ένας βιβλιοθηκάριος που ψάχνει για ένα βιβλίο εξετάζοντας ολόκληρη τη βιβλιοθήκη, τόμο με τόμο.
Η συμβολή μας επιτρέπει κατ’ ουσίαν να κάνουμε κλώνους αυτού του βιβλιοθηκάριου- έναν βιβλιοθηκάριο για κάθε βιβλίο- και να τους βάλουμε όλους μαζί να ψάξουν την ίδια στιγμή.
Η νέα συσκευή αποδεικνύει ότι η χρήση της συμβολής του φωτός είναι τόσο αποτελεσματική όσο και η κβαντική συμβολή στην εύρεση πληροφοριών από μια βάση δεδομένων.

«Υπάρχει μεγάλη ώθηση στην τεχνολογία της επεξεργασίας της πληροφορίας η οποία στηρίζεται στην κβαντομηχανική» λέει ο Ian Walmsley καθηγητής της οπτικής στο πανεπιστήμιο του Rochester ο οποίος ηγείται της ομάδας που ανακάλυψε τη συσκευή.
«Μπορείς να κάνεις πράγματα με την κβαντική μηχανική που είναι ακατόρθωτα με τις κλασσικές μηχανές» προσθέτει, και συνεχίζει: « Αυτό που δείξαμε εδώ είναι ότι αν έχεις ένα κβαντικό υπολογιστή που στηρίζεται αποκλειστικά στην κβαντική συμβολή, μπορείς να φτιάξεις έναν εξ ίσου αποτελεσματικό υπολογιστή, βασισμένο αποκλειστικά στην συμβολή του φωτός.Το φως βέβαια είναι πολύ πιο εύκολο να το διαχειριστούμε από τα κβαντικά συστήματα.»

Ένας από τους μεγαλύτερους περιορισμούς των κβαντικών υπολογιστών εθεωρείτο πάντα η ανάγκη χρησιμοποίησης του φαινομένου του συσχετισμού (entanglement) μια συνθήκη σύμφωνα με την οποία οι ιδιότητες διαφορετικών σωματιδίων συνδέονται όσο μακριά και αν βρίσκονται αυτά μεταξύ τους και μπορούμε έτσι να φτιάξουμε αντίγραφά τους. Όπως περίπου δημιουργούνται και οι κλώνοι του φανταστικού βιβλιοθηκάριου οι οποίοι μοιράζονται κοινές ιδιότητες όσο μακριά και αν βρίσκονται ο ένας από τον άλλο.

Ο συσχετισμός(entanglement) είναι δύσκολος να επιτευχθεί, και μέχρι τώρα δεν έχει κατορθωθεί παρά μόνο για πολύ λίγα σωματίδια κάθε φορά.
Οι επιστήμονες όμως σύντομα βρήκαν ότι ο συσχετισμός μπορεί να μην είναι απαραίτητος για εργασίες όπως το ψάξιμο μιας βάσης δεδομένων. Αντί γι αυτόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί η κβαντική συμβολή. Όταν το πληροφορήθηκε αυτό ο Walmsley ήταν σίγουρος ότι μπορούσε να φτιάξει έναν υπολογιστή που θα χρησιμοποιούσε τη συμβολή του φωτός αντί για τη συμβολή υποατομικών σωματιδίων.

Η συσκευή του Walmsley χρησιμοποιεί ένα κομμάτι από διαφανές οξείδιο τελλουρίου το οποίο αποκαλείται ακουστο-οπτικός διαμορφωτής. Αυτός παίζει το ρόλο της βάσης δεδομένων αποθηκεύοντας την πληροφορία υπό μορφή ακουστικών κυμάτων.
Ένας πομπός ταλαντώνεται απέναντι από τη μια πλευρά του διαμορφωτή και στέλνει ηχητικά κύματα στον αέρα. Τα κύματα προκαλούν ελαφρά συμπίεση σε μερικά μέρη του διαμορφωτή και ελαφρά αραίωση σε κάποια άλλα μέρη, δημιουργώντας ένα σχηματισμό ο οποίος εξομοιώνει τις πληροφορίες που αποθηκεύονται σε μια συνηθισμένη βάση δεδομένων.
Για να γίνει το ψάξιμο της βάσης δεδομένων, ο Walmsley κατευθύνει μια δέσμη φωτός προς τον διαμορφωτή. Η δέσμη χωρίζεται αρχικά στα δύο, με το ένα μέρος να περνάει μέσα από ένα πρίσμα έτσι ώστε ένα φάσμα από διαφορετικές συχνότητες να εξέρχεται από το πρίσμα και να προσπίπτει στο διαμορφωτή.

Το φως κάθε συχνότητας προσπίπτει σ’ ένα διαφορετικό συμπιεσμένο ή αραιωμένο τμήμα του διοξειδίου του τελλουρίου και καθώς περνάει μέσα από αυτό παθαίνει διάθλαση. Η διάθλαση της κάθε συχνότητας είναι διαφορετική, αφού οφείλεται σε διαφορετικές πυκνότητες του υλικού. Το φάσμα τέλος όλων των συχνοτήτων ανασυνθέτεται μετά την έξοδό του από το υλικό σε μια και μοναδική πάλι δέσμη.

Με την ανάμειξη της νέας αυτής δέσμης με το τμήμα εκείνο της αρχικής που δεν είχε υποστεί διάθλαση, προκύπτει η ανάδειξη εκείνης της συχνότητας που έχει υποστεί αλλαγές από το ταξίδι της διαμέσου του υλικού και μεταφέρει τις πληροφορίες από τη βάση δεδομένων.
Έτσι στην περίπτωση της συσκευής του Walmsley, 50 διαφορετικές συχνότητες φωτός περνάνε μέσα από τον διαμορφωτή, και αν η 20η συχνότητα είναι αυτή που έπαθε τη μεταβολή, τότε γνωρίζουμε ότι το bit της πληροφορίας που αναζητούσαμε βρισκόταν στη θέση 20 της βάσης δεδομένων.

Ένας συμβατικός υπολογιστής θα είχε να πραγματοποιήσει 20 ελέγχους για να βρει τη θέση της πληροφορίας. Αν η βάση δεδομένων ήταν πχ ο τηλεφωνικός κατάλογος του Manhattan, η αναζήτηση ενός συγκεκριμένου αριθμού θα απαιτούσε σε ένα συμβατικό υπολογιστή αρκετά εκατομμύρια ψαξίματα, ενώ μια συσκευή βασισμένη στο φως θα εύρισκε τον αριθμό με μία μόνο φορά.

Η ελκυστικότητα της συσκευής έγκειται στο ότι είναι τόσο απλή σε σύγκριση με τους κβαντικούς υπολογιστές. Οι μηχανικοί έχουν εμπειρία δεκαετιών στους ακριβείς χειρισμούς του φωτός και όλες οι ιδέες που υλοποιούνται στη συσκευή βασίζονται στην κλασσική φυσική του 19ου αιώνα αν και η τεχνολογία για την εκτέλεση του πειράματος αναπτύχθηκε μόλις τα δέκα τελευταία χρόνια.
Η ανάπτυξη της συσκευής δείχνει για μια ακόμη φορά τους στενούς δεσμούς μεταξύ της βασικής επιστήμης και της σύγχρονης τεχνολογίας.