Το επόμενο βήμα για τον κβαντικό υπολογιστή

Από το RedNova, 10 Οκτωβρίου 2004

Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Βόννης πέτυχαν να κάνουν ένα αποφασιστικό βήμα για την επεξεργασίας των κβαντικών πληροφοριών  με ουδέτερα άτομα: στο πιο πρόσφατο τεύχος του περιοδικού Physical Review Letters,  περιγράφουν πως κατόρθωσαν να φτιάξουν έναν κβαντικό καταχωρητή πειραματικά.

Ο επόμενος στόχος τους είναι να κατασκευάσουν μια κβαντική πύλη στην οποία δύο ή περισσότερα άτομα αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο, αλλά με έναν ελεγχόμενο τρόπο. Με το συνδυασμό του καταχωρητή και της πύλης θα υπάρχουν τότε όλα τα βασικά συστατικά ικανά για την ανάπτυξη ενός κβαντικού υπολογιστή με ουδέτερα άτομα.

Οι καταχωρητές είναι η κεντρική μνήμη ενός υπολογιστή. Αποτελούνται από μια σειρά στοιχειωδών κυττάρων πληροφορίας που μπορεί το κάθε ένα να καταχωρήσει ένα bit μιας πληροφορίας, δηλ. το λογικό μηδέν ή το ένα. Σε έναν καταχωρητή μήκους οκτώ μπιτ, παραδείγματος χάριν, μπορεί να αποθηκευτεί ένας αριθμός μεταξύ 0 και 255 - ο αριθμός 255 αντιστοιχεί σε μια σειρά οκτώ μπιτ με την κατάσταση 1. Προκειμένου να προστεθούν δύο αριθμοί απαιτούνται κανονικά τρεις καταχωρητές: δύο για τους δύο προσθετέους και ένας ακόμα για την καταχώρηση του αποτελέσματος.

"Για τους καταχωρητές μας χρησιμοποιούμε ουδέτερα άτομα", προσθέτει ο Dominik Schrader του Ινστιτούτου Εφαρμοσμένης Φυσικής της Βόννης. Ένα άτομο είναι ένα μικροσκοπικό κβαντικό σύστημα και μπορεί επομένως να αποθηκεύσει κβαντικές πληροφορίες.

Ένα qubit, η κβαντική εκδοχή ενός bit, έχει πολλές περισσότερες καταστάσεις από 0 και 1. Οι καταστάσεις μπορούν να παρασταθούν με ένα βέλος που δείχνει προς μια τοποθεσία επί της σφαίρας. Ο Βόρειος πόλος ισοδυναμεί με την κατάσταση 1, ο Νότιος πόλος με το 0. Οι άλλες τοποθεσίες είναι κβαντικές υπερθέσεις του 0 και του 1. 

Σε αναλογία με το 'bit' στον κβαντικό υπολογισμό χρησιμοποιούμε τον όρο 'qubit'. Εκτός από τις κλασικές πληροφορίες του 0 και του 1, τα qubits, μπορούν επίσης να πάρουν έναν αυθαίρετο αριθμό ενδιάμεσων καταστάσεων, αυτό που είναι γνωστό ως κβαντομηχανική υπέρθεση καταστάσεων.

Ο Dominik Schrader έχει φτιάξει τον καταχωρητή μαζί με τον Arno Rauschenbeutel στην ομάδα του Dieter Meschede. Στο πείραμά τους οι φυσικοί επιβράδυναν αρχικά τα άτομα καισίου έτσι ώστε κινούνταν μόλις και μετά βίας.

Πέντε από αυτά τα "ψυχρά" άτομα ενσωματώθηκαν έπειτα πάνω σε μια ακτίνα λέιζερ, ένα στάσιμο φωτεινό κύμα που αποτελείται από πολλές αιχμές και κοιλότητες. Τα άτομα ήταν "παγιδευμένα" μέσα στις κοιλότητες και παρέμειναν στάσιμα, που η ομάδα ήταν σε θέση να ελέγξει με μια ιδιαίτερα ευαίσθητη ψηφιακή φωτογραφική μηχανή.

Με την ενίσχυση ενός πρόσθετου λέιζερ οι ερευνητές αρχικοποίησαν έπειτα τον κβαντικό καταχωρητή, δηλ. "έγραψαν" το μηδέν σε όλα τα qubits. Και τότε ήταν ικανοί να αποθηκεύσουν τις κβαντικές πληροφορίες που επιθυμούσαν σε κάθε qubit με τη βοήθεια της μικροκυματικής ακτινοβολίας, εξήγησε ο Schrader.

Για να είναι σε θέση να χειριστούν τα qubits χωριστά και επιλεκτικά, οι φυσικοί παρήγαγαν ένα τοπικά εντοπισμένο μαγνητικό πεδίο. "Ανάλογα με την τοπική ισχύ του μαγνητικού πεδίου, τα qubits αντιδρούν μόνο στην ακτινοβολία μικροκυμάτων μιας πολύ συγκεκριμένης συχνότητας. Μεταβάλλοντας την ακτινοβολία των μικροκυμάτων ήμαστε έτσι ικανοί να γράψουμε τα επιθυμητά qubits".

Η ανάλυση αυτής της τεχνικής διευθυνσιοδότησης είναι περίπου δύο χιλιοστά του ενός χιλιοστού, επομένως, θα μπορούσαν να αποθηκευτούν αρκετά qubits.

Προκειμένου να ελεγχθεί εάν ο καταχωρητής πραγματικά είχε αποθηκεύσει τις επιθυμητές πληροφορίες, οι ερευνητές βομβάρδισαν την αλυσίδα των ατόμων με το φως ενός λέιζερ που αλληλεπιδρά μόνο με τα qubits στη θέση 0.

Τα φωτόνια του λέιζερ πράγματι στόχευσαν αυτά τα άτομα μόνο στη θέση 0, αλλά άφησαν  απρόσβλητα τα άτομα με 1. Και αργότερα στην εικόνα ήταν ορατά μόνο τα άτομα στην κατάσταση 1.

Στο επόμενο βήμα τους οι φυσικοί θα προσπαθήσουν να φτιάξουν μια κβαντική πύλη, στην οποία δύο ή περισσότερα qubits του καταχωρητή αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο με έναν ελεγχόμενο τρόπο.

"Ελπίζουμε να φθάσουμε εκεί σε δύο χρόνια", λέει ο Dominik Schrader. Δεν μπορεί όμως να αποκαλύψει για το πότε θα αρχίσει να λειτουργεί ένας "κβαντικός υπολογιστής" αντάξιος του ονόματος του.