Δημιουργήθηκε ο πρώτος στερεός κβαντικός επεξεργαστής
Οι υπολογιστές του μέλλοντος πιθανότατα θα είναι κβαντικοί, χρησιμοποιώντας τις θαυμαστές ιδιότητες του κόσμου των κβάντων, ώστε να αυξήσουν σε μεγάλο βαθμό την χωρητικότητα και της ταχύτητα επεξεργασίας των πληροφοριών. Ένα ακόμα βήμα γι' αυτό τον πολύ δύσκολο στόχο -πάνω στον οποίο παλεύουν, χρόνια τώρα, πολυάριθμες ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο- έγινε από μια ομάδα Αμερικανών επιστημόνων, που δημιούργησαν τον πρώτο κβαντικό επεξεργαστή στερεάς κατάστασης, με την χρήση παρόμοιων τεχνικών με αυτές που χρησιμοποιεί η βιομηχανία παραγωγής επεξεργαστών πυριτίου.
Η ανακάλυψη έγινε από ερευνητές του Τμήματος Φυσικής πανεπιστημίου Γιέηλ των ΗΠΑ, υπό τον φυσικό Λεονάρντο ΝτιΚάρλο, και δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Nature». Μέχρι τώρα είχε αποδειχτεί τρομερά δύσκολο να δημιουργηθούν τμήματα ενός κβαντικού υπολογιστή (στη συγκεκριμένη περίπτωση του επεξεργαστή) από τα συνήθη στερεά υλικά. Ο επεξεργαστής χρησιμοποίησε δύο προγράμματα επεξεργασίας, που αποκαλούνται κβαντικοί αλγόριθμοι, για να λύσει δύο διαφορετικά προβλήματα.
Οι κλασικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν μια σειρά από «0» και «1» για να αποθηκεύσουν και να μεταφέρουν τις πληροφορίες. Όμως τα κβαντικά συστήματα αξιοποιούν την λεγόμενη «υπέρθεση», όπου όλοι οι δυνατοί δυνατοί συνδυασμοί μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα, γεγονός που αυξάνει τρομερά την ποσότητα των πληροφοριών και την ταχύτητα επεξεργασίας τους.
Τα λεγόμενα «κβαντικά bits» (qubits) μπορούν επίσης να αξιοποιήσουν μια άλλη παράξενη κβαντική ιδιότητα, την «κβαντική εμπλοκή», κατά την οποία η κατάσταση μιας κβαντικής μονάδας πληροφορίας (δηλαδή ενός qubit) επηρεάζει αυτομάτως την κατάσταση ενός άλλου qubit που βρίσκεται σε απόσταση. Έτσι, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να χρησιμοποιούν «qubits σε κβαντική εμπλοκή» για να επεξεργάζονται αστραπιαία τις πληροφορίες.
Μέχρι τώρα είχαν δημιουργηθεί κβαντικοί αλγόριθμοι, αλλά για χρήση μόνο σε εξωτικά συστήματα που χρησιμοποιούσαν λέιζερ η αιωρούμενα ιόντα με τη βοήθεια ισχυρών μαγνητών. Τώρα, είναι η πρώτη φορά που δημιουργήθηκε ένας πιο?προσγειωμένος κβαντικός επεξεργαστής, πλησιέστερα στην στερεή φύση και στην λειτουργία των σημερινών επεξεργαστών.
Η συσκευή που έφτιαξε η ομάδα του Γιέηλ, αποτελείται από δύο «transmon qubits», δηλαδή από μικροσκοπικά κομμάτια ενός υπεραγώγιμου υλικού, το οποίο αποτελείται από ένα φιλμ νιοβίου πάνω σε ένα λεπτό υπόστρωμα οξειδίου του αλουμινίου, όπου έχουν χαραχτεί κενά. Το ηλεκτρικό ρεύμα διατρέχει αυτά τα κενά, ενώ τα δύο qubits του πρωτότυπου αυτού ηλεκτρονικού επεξεργαστή είναι διαχωρισμένα από μια κοιλότητα που περιέχει μικροκύματα.
Το πλεονέκτημα είναι ότι όλη η συσκευή αποτελείται από στερεά υλικά, ενώ παράγεται με την χρήση καθιερωμένων βιομηχανικών τεχνικών. Όμως υπάρχουν και σημαντικές διαφορές με έναν συμβατικό κομπιούτερ, αφού ο νέος κβαντικός επεξεργαστής λειτουργεί λίγο πάνω από την θερμοκρασία του απολύτου μηδενός (μείον 273,15 βαθμοί Κελσίου), γεγονός που απαιτεί εξειδικευμένη τεχνολογία ψύξης.
Οι ερευνητές κατάφεραν να ελέγξουν το κβαντικό σύστημα χρησιμοποιώντας τα μικροκύματα με τέτοια συχνότητα, ώστε τα qubits να εισέρχονται στην κατάσταση της «κβαντικής εμπλοκής» και της «κβαντικής υπέρθεσης». Οι επιστήμονες μπόρεσαν να διατηρήσουν την κατάσταση αυτή για ένα μικρο-δευτερόλεπτο, που -για τα κβαντικά δεδομένα- είναι πραγματικά μεγάλο διάστημα. Μέχρι τώρα η κβαντική εμπλοκή και υπέρθεση είχε διατηρηθεί μόλις για ένα νανο-δευτερόλεπτο, αλλά με την αύξηση πια σε ένα μικρο-δευτερόλεπτο (χίλιες φορές περισσότερο), υπάρχει επαρκής χρόνος για να «τρέξουν» οι αλγόριθμοι επεξεργασίας.
Το σύστημα επεξεργάστηκε δύο αλγορίθμους γραμμένους ειδικά για κβαντικά συστήματα. Ο ένας, ο λεγόμενος «αλγόριθμος αναζήτησης του Γκρόβερ», χρησιμοποιείται για να αναζητήσει ο επεξεργαστής, μέσα από ένα τηλεφωνικό κατάλογο, το όνομα κάποιου, όταν το τηλέφωνο είναι γνωστό. Ο νέος κβαντικός επεξεργαστής είχε επιτυχία 80% στις σχετικές αναζητήσεις.
Ο ΝτιΚάρλο παραδέχεται ότι, προς το παρόν, πρόκειται για «έναν πολύ απλό κβαντικό επεξεργαστή», που «σε καμία περίπτωση δεν αποτελεί ακόμα έναν πρακτικό κβαντικό υπολογιστή». Η ερευνητική ομάδα του Γιέηλ ήδη εργάζεται για να προσθέσει πάνω από δύο qubits στον επεξεργαστή, ώστε να αυξήσει την επεξεργαστική ισχύ του (κάθε qubit που προστίθεται, πολλαπλασιάζει την ταχύτητα επεξεργασίας των δεδομένων). Όπως δήλωσαν οι ερευνητές, μέχρι τρία ή τέσσερα qubits τα προβλήματα φαίνεται να ξεπερνιούνται, μετά όμως -π.χ. για να υπάρξουν δέκα qubits- τα πράγματα δυσκολεύουν ιδιαίτερα.
πηγή: www.kathimerini.gr