Τα φωτόνια δημιουργούν πρωτόγονα κβαντικά δίκτυα

Πηγή: physicsWeb, 7 Δεκεμβρίου 2005

ΣΠΙΝΤΡΟΝΙΚΑ  QUBITS

1  Σ' ένα συμβατικό υπολογιστή κάθε bit έχει μια καθορισμένη τιμή είτε 0 είτε 1. Μια σειρά από 8 bits μπορούν να παραστήσουν κάθε αριθμό μεταξύ 0 και 255, αλλά μόνο ένας αριθμός αντιστοιχεί σε κάθε 8μπιτο συνδυασμό.  2  Τα ηλεκτρονικά σπιν με προσανατολισμό "πάνω" ή "κάτω" μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως bits. 3  Τα κβαντικά bits, ή αλλιώς qubits, μπορούν επίσης να υπάρξουν ως υπερθέσεις των 0 και 1, εμπεριέχοντας συγχρόνως και τις δύο τιμές. 8 qubits μπορούν να παραστήσουν κάθε αριθμό από το 0 έως το 255 συγχρόνως!  4  Τα σπιν των ηλεκτρονίων είναι φυσικά qubits. Ένα ηλεκτρόνιο με κεκλιμένο άξονα του σπιν είναι μια υπέρθεση συμφασικών καταστάσεων με σπιν "πάνω" και σπιν "κάτω" η οποία είναι λιγότερο εύθραυστη σε σχέση με άλλες κβαντικές ηλεκτρονικές καταστάσεις.  5  Τα Qubits είναι εξαιρετικά ευαίσθητα: τυχαίες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους υποβαθμίζουν τις υπερθέσεις εξαιρετικά γρήγορα, μετατρέποντάς τις σε τυχαία διατεταγμένα συνηθισμένα bits.

Δύο ομάδες φυσικών αποθήκευσαν ένα μόνο φωτόνιο σε μια ατομική συνάθροιση, το μετέφεραν σε ένα άλλο νέφος ατόμων και το ανάκτησαν πάλι -- και όλα αυτά χωρίς να χάσουν τον κβαντικό χαρακτήρα του φωτονίου. Τα αποτελέσματα αυτά είναι η πρώτη επίδειξη ενός απλού κβαντικού δικτύου επικοινωνίας ή υπολογιστών, που αποθηκεύει διαδικασίες πληροφοριών και διαδικασιών, που χρησιμοποιούν άτομα και φωτόνια. Εν τω μεταξύ, μια τρίτη ερευνητική ομάδα έχει δείξει ότι μια αποθηκευμένη ατομική κατάσταση μπορεί να μεταφερθεί σε μια "πεπλεγμένη" κατάσταση του φωτός.

Οι συμβατικοί υπολογιστές αποθηκεύουν και στέλνουν τις πληροφορίες ως "bits", που μπορούν να έχουν τιμή είτε 1 είτε 0. Καθώς τα ηλεκτρονικά γίνονται μικρότερα, οι φυσικοί έχουν προτείνει ότι οι πληροφορίες θα μπορούσαν να αποθηκευτούν και να σταλούν σε καθορισμένα  κβαντικά συστήματα δύο επιπέδων. Για παράδειγμα, την οριζόντια και κάθετη κατάσταση πόλωσης των φωτονίων ή τις καταστάσεις του σπιν των ηλεκτρονίων "πάνω" και "κάτω".

Η κρίσιμη διαφορά είναι ότι αυτά τα κβαντικά bits -- ή "qubits" -- μπορούν να υπάρξουν και στις δύο πιθανές καταστάσεις συγχρόνως, ένα φαινόμενο γνωστό ως υπέρθεση, που σημαίνει ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε, σε γενικές γραμμές, να ξεπεράσει έναν κλασσικό υπολογιστή σε απόδοση. Ένα άλλο χαρακτηριστικό γνώρισμα της κβαντομηχανικής είναι η διεμπλοκή. Αυτή επιτρέπει στα σωμάτια να έχουν μια πολύ στενότερη σχέση από ό,τι είναι δυνατή στην κλασσική φυσική: εάν δύο σωμάτια είναι πεπλεγμένα, μπορούμε να ξέρουμε την κατάσταση του ενός σωματιδίου αν μετρήσουμε την κατάστασης του άλλου.

Τα φωτόνια είναι καλοί υποψήφιοι για την παραγωγή qubits επειδή μπορούν να ταξιδέψουν σε μεγάλες αποστάσεις με μικρή διαδικασία decoherence - την κατάρρευση της συμφασικής υπέρθεσης ή τη μετάβαση από την κλασσική στην κβαντική συμπεριφορά που εμφανίζεται όταν αλληλεπιδρούν τα σωματίδια με το περιβάλλον τους. Επιπλέον, μπορούν να αποθηκευτούν για μεγάλες περιόδους. Εντούτοις, για αυτήν την τεχνολογία στην πράξη, οι επιστήμονες πρέπει να είναι σε θέση να χειριστούν μοναχικά φωτόνια -- ένας άθλος που δεν έχει επιτευχθεί μέχρι τώρα.

Χρησιμοποιώντας τα λέιζερ και τις ηλεκτρομαγνητικές παγίδες, ο Matthew Eisaman του πανεπιστημίου του Harvard και συνάδελφοι του, και ανεξάρτητα, του Alex Kuzmich στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας, δημιούργησε ένα μόνο φωτόνιο σε ένα σύνολο ατόμων και έστειλε έπειτα αυτό το φωτόνιο σε ένα άλλο σύνολο, όπου ήταν σε θέση να το αποθηκεύσουν και να το ανακτήσουν. Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο πειραμάτων ήταν ότι ο πρώτος χρησιμοποίησε άτομα ρουβιδίου-87 στη θερμοκρασία δωματίου ενώ ο δεύτερος χρησιμοποίησε άτομα ρουβιδίου-85 σε υπέρψυχρες θερμοκρασίες. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι τα κβαντικά χαρακτηριστικά του δημιουργημένου και ανακτημένου φωτονίου διατηρήθηκαν ακόμα και μετά από τη διαδικασία της αποθήκευσης.

"Έχουμε δημιουργήσει ουσιαστικά ένα πολύ πρωτόγονο κβαντικό δίκτυο", λέει ο Eisaman. "Τα κβαντικά δίκτυα είναι το κβαντικό ανάλογο των κλασσικών δικτύων των υπολογιστών και θα είναι ένα αναπόσπαστο τμήμα οποιωνδήποτε μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών ή της κβαντικής επικοινωνίας." Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν το κβαντικό σύστημα κρυπτογραφίας, το οποίο επιτρέπει στα στοιχεία να διαβιβαστούν με πλήρη ασφάλεια.

Τέλος, ο Jeff Kimble και οι συνάδελφοι του στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας και στα εργαστήρια Bell Labs έδειξαν ότι μια αποθηκευμένη ατομική κατάσταση μπορεί να μεταφερθεί σε μια πεπλεγμένη κατάσταση του φωτός για πρώτη φορά. Αυτά τα πειράματα θα είναι σημαντικά για την παραγωγή των εξελικτικών κβαντικών δικτύων επικοινωνίας με ατομικές συγκεντρώσεις.

Ένας από τους ελάχιστα-κατανοητούς τομείς της φυσικής είναι το όριο μεταξύ της   κβαντικής και κλασσικής μηχανικής. Η μετάβαση από το κβάντο στην κλασσική συμπεριφορά - είναι μια διαδικασία γνωστή ως decoherence ή αποσυνοχή - έχει παρατηρηθεί πολλές φορές στα μικροσκοπικά συστήματα, αλλά εμφανίζεται πάρα πολύ γρήγορα για να παρατηρηθεί στα μακροσκοπικά συστήματα.

Τα κβαντικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια μπορούν να είναι σε μια υπέρθεση δύο ή περισσότερων κβαντικών  καταστάσεων. Αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορεί, παραδείγματος χάριν, να είναι σε δύο θέσεις συγχρόνως. 

Είναι όμως αδύνατο να παρατηρηθεί η μετάβαση από το κβάντο στην κλασσική συμπεριφορά στα μακροσκοπικά συστήματα επειδή η διαδικασία αποσυνοχής (decoherence), εμφανίζεται σε χρονοκλίμακες που είναι πάρα πολύ μικρές για να μετρηθούν. Εντούτοις, είναι δυνατό να μετρηθεί σε συστήματα όπως είναι τα άτομα και τα ιόντα.