Ερευνητές προτείνουν υπερρεύμα για ανάγνωση qubits χωρίς καταστροφή

Ερευνητές από την Κίνα και τη Βραζιλία προτείνουν μια θεωρητική μέθοδο για την ανάγνωση qubits χωρίς να καταστρέφεται η κβαντική τους κατάσταση, σύμφωνα με εργασία που δημοσιεύτηκε στο Physical Review B.

Τα qubits βρίσκονται στο επίκεντρο των κβαντικών υπολογιστών και λειτουργούν ως το αντίστοιχο των δυαδικών bits των κλασικών υπολογιστών. Σε αντίθεση με τα κλασικά bits, όμως, μπορούν να βρίσκονται σε 0, 1 ή σε υπέρθεση και των δύο καταστάσεων, κάτι που θεωρείται καθοριστικό για τη μελλοντική ισχύ των κβαντικών συστημάτων.

Το βασικό πρόβλημα είναι ότι, μόλις ένα qubit μετρηθεί, η υπέρθεση χάνεται και η τιμή του «κλειδώνει» σε 0 ή 1. Έτσι, το στοιχείο που το κάνει ιδιαίτερα χρήσιμο εξαφανίζεται τη στιγμή της μέτρησης.

Η νέα προσέγγιση βασίζεται όχι στην άμεση μέτρηση του ίδιου του qubit, αλλά στην ανάγνωση του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγει. Σύμφωνα με το θεωρητικό μοντέλο των ερευνητών, αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει την εξαγωγή της πληροφορίας χωρίς να «διαβαστεί» άμεσα το qubit.

Η μελέτη δεν περιλαμβάνει πειράματα. Στην ανάλυσή τους, οι ερευνητές εκτιμούν ότι η μέθοδος μπορεί να ανακτά τα δεδομένα ενός qubit με ακρίβεια έως 99,85%.

«Αν ένα qubit έχει προετοιμαστεί σε μια συγκεκριμένη υπέρθεση του 0 και του 1, η άμεση μέτρησή του τείνει να καταστρέφει αυτή την υπέρθεση και, κατά συνέπεια, την πληροφορία που περιείχε», αναφέρει ο φυσικός Χοζέ Κάρλος Έγκες από το Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο στη Βραζιλία.

«Η δική μας στρατηγική είναι διαφορετική. Αντί να μεταφέρουμε την πληροφορία σε ένα βοηθητικό qubit, προσπαθούμε να την αντλήσουμε από ένα σήμα που παράγει το ίδιο το υπό μελέτη qubit», προσθέτει.

Στα σημερινά κβαντικά συστήματα, μια συνηθισμένη λύση είναι τα λεγόμενα ancillas, δηλαδή βοηθητικά qubits που αναλαμβάνουν την πληροφορία ώστε να μπορεί να διαβαστεί χωρίς να επηρεαστεί το αρχικό. Η μέθοδος αυτή λειτουργεί, αλλά προσθέτει χρόνο και πολυπλοκότητα.

Στη συγκεκριμένη μελέτη, οι ερευνητές προτείνουν ότι τα λεγόμενα qubits του Ανδρέεφ θα μπορούσαν να δώσουν τη λύση. Βασίζονται σε καταστάσεις Ανδρέεφ ανάμεσα σε υπεραγώγιμα υλικά και μπορούν να κωδικοποιήσουν 0, 1 και υπερθέσεις.

Με βάση τους υπολογισμούς τους, τα qubits του Ανδρέεφ σε υπέρθεση παράγουν ταλαντούμενα ηλεκτρικά ρεύματα χωρίς να απαιτείται εξωτερική τάση, αξιοποιώντας τη ίδια την κβαντική συμπεριφορά τους.

Αυτό, σύμφωνα με τους ερευνητές, θα μπορούσε να αποκαλύψει την κβαντική κατάσταση του qubit μέσω του μαγνητικού πεδίου που δημιουργούν οι ταλαντώσεις.

«Στο σύστημα που εξετάζουμε, η περιοχή αυτή είναι μια κβαντική κουκκίδα – δηλαδή μια νανοκλίμακα δομή όπου τα ηλεκτρόνια περιορίζονται χωρικά – η οποία σχηματίζεται σε νανοσύρμα αρσενικού του ινδίου [InAs] και συνδέεται με υπεραγώγιμα υλικά και στις δύο πλευρές», λέει ο Έγκες.

«Σε αυτό το περιβάλλον σχηματίζονται οι καταστάσεις που χαρακτηρίζουν το qubit του Ανδρέεφ».

Τα qubits του Ανδρέεφ έχουν μελετηθεί εκτενώς στο παρελθόν, όμως η ιδέα ότι η ηλεκτρική τους συμπεριφορά μπορεί να παράγει ένα μετρήσιμο σήμα είναι νέα. Πρόκειται για την πρώτη φορά που προτείνεται ένα τέτοιο ταλαντούμενο ηλεκτρικό αποτύπωμα ως τρόπος αποκωδικοποίησης των qubits.

Στην ουσία, το qubit του Ανδρέεφ παράγει ένα «υπερρεύμα», όπως υπολογίζουν οι ερευνητές. Καθώς μεταβαίνει μεταξύ καταστάσεων, το ηλεκτρικό του ρεύμα αλλάζει και αυτή η μεταβολή μπορεί να μετρηθεί μέσα από τα χαρακτηριστικά της ταλάντωσης που προκύπτει.

Για να λειτουργήσει το σύστημα, απαιτείται και μια ξεχωριστή διάταξη που θα ανιχνεύει τις μεταβολές, σχηματίζοντας ένα στήσιμο όπου το ένα «πυξίδα» δείχνει τον δρόμο και το άλλο ερμηνεύει την κατεύθυνση.

«Έτσι, μετρώντας πώς μεταβάλλεται το ρεύμα στον χρόνο, είναι δυνατό να ανακατασκευαστεί η αρχική κατάσταση του qubit», λέει ο Έγκες.

Μετά από κάθε μέτρηση, οι ερευνητές εκτιμούν ότι δεν θα χρειάζεται η συνήθης επανεκκίνηση που απαιτείται σήμερα για το qubit.

Το επόμενο βήμα είναι να δοκιμαστεί στην πράξη η διάταξη που προτείνουν θεωρητικά οι ερευνητές. Αν αυτό συμβεί, η ανάγνωση των qubits θα μπορούσε να γίνει απλούστερη και πιο αξιόπιστη, ανοίγοντας τον δρόμο για τις δυνατότητες της κβαντικής υπολογιστικής.

«Η μέθοδός μας δεν εξαλείφει το θεμελιώδες πρόβλημα της κβαντικής μέτρησης», λέει ο Έγκες.

«Μπορεί όμως να προσεγγίσει το όριο μιας μη καταστροφικής ανάγνωσης και, ταυτόχρονα, να αποφύγει τη χρήση βοηθητικών qubits, των ancillas, που αξιοποιούνται σε άλλα πρωτόκολλα μη καταστροφικής κβαντικής μέτρησης».

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Physical Review B.

Πηγή: sciencealert.com.