Η Κβαντική Υπολογιστική χρησιμοποιεί τις αρχές της κβαντικής μηχανικής για την κωδικοποίηση και την επεξεργασία δεδομένων, κάτι που σημαίνει ότι θα μπορούσε μια μέρα να λύσει υπολογιστικά προβλήματα που είναι δυσεπίλυτα για τους σημερινούς υπολογιστές. Οι υπολογιστές αυτοί λειτουργούν με bits, τα οποία αντιπροσωπεύουν είτε την τιμή 0 είτε την τιμή 1, ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά bits ή qubits – τις θεμελιώδεις μονάδες της κβαντικής πληροφορίας.
«Με εφαρμογές που κυμαίνονται από την ανακάλυψη φαρμάκων έως τη βελτιστοποίηση και τις προσομοιώσεις πολύπλοκων βιολογικών συστημάτων και υλικών, η Κβαντική Υπολογιστική έχει τη δυνατότητα να αναδιαμορφώσει τεράστιες περιοχές της επιστήμης, της βιομηχανίας και της κοινωνίας», λέει ο καθηγητής Vincenzo Savona, διευθυντής του Κέντρου Κβαντικής Επιστήμης και Μηχανικής (Center for Quantum Science and Engineering) της “Ecole Polytechnique Federale de Lausanne” (EPFL).
Σε αντίθεση με τα κλασικά bits, τα qubits μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε μια “υπέρθεση” και των δύο καταστάσεων: 0 και 1. Αυτό επιτρέπει στους κβαντικούς υπολογιστές να εξερευνούν πολλαπλές λύσεις ταυτόχρονα, γεγονός που τους καθιστά σημαντικά ταχύτερους για ορισμένες υπολογιστικές εργασίες. Ωστόσο, τα κβαντικά συστήματα είναι επιρρεπή και ευάλωτα σε σφάλματα που προκαλούνται από αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους.
«Η ανάπτυξη στρατηγικών που είτε προστατεύουν τα qubits από αυτό, είτε εντοπίζουν και διορθώνουν τα σφάλματα μόλις εμφανιστούν είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας, ανεκτικών σε σφάλματα κβαντικών υπολογιστών», λέει ο Savona. Η ερευνητική ομάδα, που αποτελείται από τον Savona και τους φυσικούς της EPFL Luca Gravina και Fabrizio Minganti, έκανε ένα σημαντικό βήμα προτείνοντας έναν “κρίσιμο κώδικα της γάτας του Schrödinger” για προηγμένη ανθεκτικότητα σε σφάλματα. Η μελέτη εισάγει ένα καινοτόμο σχέδιο κωδικοποίησης, το οποίο μπορεί να φέρει επανάσταση στην αξιοπιστία των κβαντικών υπολογιστών.
Τι είναι ο “κρίσιμος κώδικας της γάτας του Schrödinger”;
Το 1935, ο Erwin Schrödinger πρότεινε ένα πείραμα σκέψης ως κριτική της επικρατούσας κατανόησης της κβαντικής μηχανικής εκείνης της εποχής – την ερμηνεία της Κοπεγχάγης. Στο πείραμα του Schrödinger, η γάτα τοποθετείται σε ένα σφραγισμένο κουτί, μαζί με μια πηγή ραδιενέργειας και μία φιάλη που περιέχει δηλητήριο. Εάν διασπαστεί ένα άτομο της πηγής, η ραδιενέργεια ανιχνεύεται από έναν μετρητή Geiger, ο οποίος στη συνέχεια θρυμματίζει τη φιάλη. Το δηλητήριο απελευθερώνεται, σκοτώνοντας τη γάτα.
Σύμφωνα με την οπτική της Κοπεγχάγης για την κβαντική μηχανική, εάν το άτομο βρίσκεται αρχικά σε υπέρθεση, τότε η γάτα θα κληρονομήσει την ίδια κατάσταση και θα βρεθεί σε μια υπέρθεση ζωντανού-νεκρού. «Η κατάσταση αυτή, αντιπροσωπεύει ακριβώς την έννοια ενός κβαντικού bit που υλοποιείται σε μακροσκοπική κλίμακα», λέει ο Savona.
Τα προηγούμενα χρόνια, εμπνεόμενοι από την γάτα του Schrödinger, οι επιστήμονες δημιούργησαν μια τεχνική κωδικοποίησης που ονομάζεται “κώδικας της γάτας του Schrödinger” (Schrödinger’s cat code). Εδώ, οι καταστάσεις 0 και 1 του qubit κωδικοποιούνται σε δύο αντίθετες φάσεις ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που ταλαντώνεται σε μια κοιλότητα συντονισμού· κάτι παρόμοιο με τις καταστάσεις της γάτας.
«Κώδικες της γάτας του Schrödinger έχουν υλοποιηθεί στο παρελθόν ακολουθώντας δύο διαφορετικές προσεγγίσεις», εξηγεί ο Savona. «Η μία αξιοποιεί τα αναρμονικά φαινόμενα στην κοιλότητα, ενώ η άλλη βασίζεται στον προσεκτικό σχεδιασμό των απωλειών της κοιλότητας. Στη δουλειά μας, γεφυρώσαμε τις δύο προσεγγίσεις με το να λειτουργούμε σε ένα ενδιάμεσο καθεστώς, συνδυάζοντας έτσι τα προτερήματα και των δύο. Παρότι πιστευόταν ότι αυτό θα θα ήταν ατελέσφορο, το υβριδικό καθεστώς οδηγεί σε ενισχυμένη δυνατότητα καταστολής σφαλμάτων». Η βασική ιδέα είναι να λειτουργούμε κοντά στο κρίσιμο σημείο μιας μετάβασης φάσης· εξ ου και ο όρος “κρίσιμο”, στην ονομασία του κώδικα.
Ο κρίσιμος κώδικας της γάτας διαθέτει ένα επιπλέον πλεονέκτημα: εμφανίζει εξαιρετική ανθεκτικότητα απέναντι σε σφάλματα που προκύπτουν από τυχαίες μετατοπίσεις συχνότητας, οι οποίες συχνά θέτουν σημαντικές προκλήσεις σε λειτουργίες που περιλαμβάνουν πολλαπλά qubits. Αυτό λύνει ένα σημαντικό πρόβλημα και ανοίγει το δρόμο για την υλοποίηση συσκευών με πολλά αμοιβαίως αλληλεπιδρώντα qubits· κάτι που αποτελεί την ελάχιστη απαίτηση για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή.
«Δαμάζουμε την κβαντική γάτα», δηλώνει ο Savona. “Λειτουργώντας σε ένα υβριδικό καθεστώς, έχουμε αναπτύξει ένα σύστημα που ξεπερνά τους προκατόχους του, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό άλμα προς τα εμπρός για τα qubits “γάτας” και την Κβαντική Υπολογιστική στο σύνολό της. Η μελέτη αποτελεί ορόσημο στον δρόμο προς την κατασκευή καλύτερων κβαντικών υπολογιστών».
Παραπομπές: Luca Gravina et al, Critical Schrödinger Cat Qubit, PRX Quantum (2023). DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.020337
Πηγή: https://phys.org/
