Κβαντική λογική: To be, or NOT to be?

Από σελίδα PhysicsWeb, 23 Οκτωβρίου 2002

Ο κβαντικός υπολογισμός έχει μετακινηθεί άλλο ένα βήμα πιό κοντά με την πρώτη επίδειξη μιας κβαντικής πύλης NOT. Αν και είναι αδύνατο να χτιστούν τέλειες πύλες λογικής για τα κβαντικά bits των πληροφοριών, μια ομάδα που καθοδηγείται από τον Francesco De Martini του Πανεπιστημίου της Ρώμης "La Sapienza" και του INFM στην Ιταλία έχει επιτύχει σχεδόν τη μέγιστη θεωρητική πιστότητα με τη συσκευή της (Nature Martini και λοιποί, 2002, 419 815). Η ανάπτυξη ακολουθεί τη σχεδόν τέλεια κλωνοποίηση των κβαντικών bits από τους φυσικούς στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στις αρχές του τρέχοντος έτους.

Στη συμβατική ηλεκτρονική, μια πύλη NOT αναστρέφει την τιμή ενός bit από 1 σε 0 ή από 0 σε 1. Αυτό δουλεύει καλά επειδή τα συνηθισμένα δυαδικά ψηφία μπορούν να έχουν μόνο μια τιμή 1 ή 0. Οι φυσικοί έχουν από καιρό θεωρήσει ότι τέτοιες δυαδικές πληροφορίες θα μπορούσαν επίσης να καταχωρηθούν σε ορισμένα κβαντικά συστήματα δύο καταστάσεων, όπως οι οριζόντιες και κάθετες καταστάσεις πόλωσης των φωτονίων, ή οι καταστάσεις spin πάνω και spin κάτω των ηλεκτρονίων.

Αλλά αντίθετα από τα συμβατικά δυαδικά ψηφία - bits, τα κβαντικά δυαδικά ψηφία - ή qubits - μπορούν να υπάρξουν σε μια υπέρθεση των δύο καταστάσεων. Αυτή η υπέρθεση κάνει δυσκολότερο να αναστραφεί η τιμή ενός qubit και περιορίζει την αποδοτικότητα - ή "την αξιοπιστία" - μιας κβαντικής πύλης NOT στα 2/3.

Η ομάδα λοιπόν του De martini χρησιμοποίησε για να δημιουργήσει qubits τα πολωμένα φωτόνια, η δε κατασκευή βασίστηκε σε ένα κρύσταλλο του βορικού βαρίου με μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες. Οι ερευνητές πυροδότησαν ένα υπεριώδες φωτόνιο σε αυτό το κρύσταλλο, και το φωτόνιο χωρίστηκε σε δύο φωτόνια με μακρύ κύματος, με μια διαδικασία που ήταν γνωστή ως μετατροπή προς τα κάτω. Μερικά από αυτά τα ζευγάρια των φωτονίων είναι "πεπλεγμένα". Ο όρος αυτός σημαίνει ότι μια μέτρηση της πόλωσης ενός φωτονίου αποκαλύπτει την πόλωση και του άλλου.

Ένα από αυτά τα πεπλεγμένα φωτόνια ταξίδεψε σε έναν ανιχνευτή, ο οποίος μέτρησε την πόλωσή του, ενώ ένας καθρέφτης ανάκλασε το έτερον ήμισυ φωτόνιο του, πίσω στο κρύσταλλο. Όταν αυτό το ανακλασθέν φωτόνιο εμφανίστηκε από τον κρύσταλλο, ένας δεύτερος ανιχνευτής μέτρησε την πόλωσή και σε αυτό.

Μετά από επανάληψη αυτής της διαδικασία αρκετές φορές, ο De martini και οι συνάδελφοι του βρήκαν ότι οι πολώσεις των φωτονίων εξόδου ήταν αντίθετες σε εκείνες των φωτονίων εισόδου κατά 63,0% του χρόνου, συγκρινόμενες με τη μέγιστη θεωρητική τιμή 66,7% - ή 2/3. Οι ερευνητές έλεγξαν τη "καθολικότητα" της συσκευής τους επαναλαμβάνοντας την διαδικασία χρησιμοποιώντας τα φωτόνια εισόδου με μια ποικιλία διαφορετικών πολώσεων.

Αν και αυτή η επίδειξη μιας κβαντικής πύλης NOT είναι ένα σημαντικό βήμα στον τομέα του κβαντικού υπολογισμού, δεν είναι σίγουρο ότι οι οπτικές μέθοδοι θα χρησιμοποιούνταν σε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή. Αλλά είναι πιθανό ότι τέτοιες τεχνικές θα χρησιμοποιούνταν στο κβαντικό σύστημα κρυπτογραφία, στο οποίο τα κωδικοποιημένα οπτικά σήματα θα διαβιβάζονταν σε πολύ μακρινές αποστάσεις.