Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν μεγάλες δυνατότητες, όμως δυσκολεύονται να μοντελοποιήσουν τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στις δύο βασικές οικογένειες συστατικών που στηρίζουν το Σύμπαν μας.
Με απλά λόγια, είναι σαν ένας μάγειρας να δυσκολεύεται να περιγράψει πώς η ζάχαρη και το γάλα γίνονται κέικ.
Ερευνητές όμως φαίνεται ότι βρήκαν έναν τρόπο να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, μοντελοποιώντας έναν θεωρητικό «υβριδικό» κβαντικό υπολογιστή που υπόσχεται να συνδυάσει τα καλύτερα στοιχεία και των δύο κόσμων.
Τα θεμελιώδη σωματίδια που συνθέτουν το κοσμικό «κέικ» της ύπαρξής μας χωρίζονται σε φερμιόνια και μποζόνια.
Με απλά λόγια, τα φερμιόνια είναι τα σωματίδια της ύλης, όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, ενώ τα μποζόνια περιλαμβάνουν τα σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις, όπως τα φωτόνια, δηλαδή το φως που μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη.
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ιδιαίτερα καλοί στη μοντελοποίηση των φερμιονίων, επειδή είναι πιο διακριτά, όπως ακριβώς και τα qubits που χρησιμοποιούν.
Τα μποζόνια, όμως, είναι πιο δύσκολα, γιατί μπορούν να βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση και να «επικαλύπτονται», κάτι που σημαίνει ότι μπορεί να υπάρχει μια κβαντική στοίβα από άπειρα μποζόνια.
Ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο θα μπορούσε να παρακάμψει αυτό το πρόβλημα και να ενισχύσει την κβαντική υπολογιστική, σύμφωνα με νέα μελέτη ομάδας φυσικών, μηχανικών και επιστημόνων υπολογιστών με επικεφαλής την Eleanor Crane, λέκτορα κβαντικής υπολογιστικής στο King’s College London.
Όπως αναφέρουν στο περιοδικό Physical Review X, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια υβριδική στρατηγική κβαντικής υπολογιστικής που ενσωματώνει δύο υπάρχουσες τεχνολογίες: τα qubits που χρησιμοποιούν οι κβαντικοί υπολογιστές και τους μικροκυματικούς συντονιστές κοιλοτήτων, μικρά «κουτιά» που περιέχουν ταλαντούμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
Οι δεύτεροι χρησιμοποιούνται ήδη στους υπεραγωγούς, όμως οι ερευνητές προτείνουν να αξιοποιηθούν για υπολογισμούς, ώστε να αποθηκεύουν κβαντική πληροφορία.
Για να αναπαραστήσουν τη δράση των μποζονίων, οι κβαντικοί υπολογιστές πρέπει να χρησιμοποιήσουν πολλά qubits, τα οποία είναι διακριτά όπως τα φερμιόνια. Όμως, όσο αυξάνεται η κλίμακα, αυξάνεται και το ποσοστό σφάλματος.
Η ενσωμάτωση των resonators θα μπορούσε να αποτρέψει αυτό το πρόβλημα και να προσφέρει μια σημαντική εξέλιξη.
«Επειδή αυτό το [υβριδικό πλαίσιο] μειώνει τον απαιτούμενο υπολογιστικό φόρτο κατά χίλιες φορές, προβλήματα χημείας και υλικών με πρακτική αξία θα μπορούσαν να γίνουν προσιτά σε μηχανές που κατασκευάζονται σήμερα, πολύ πριν φτάσουν οι μεγάλοι υπολογιστές με διόρθωση σφαλμάτων», αναφέρουν οι ερευνητές στην παρουσίαση της δουλειάς τους.
Για να θέσουν ένα σημείο αναφοράς ανάμεσα στην παραδοσιακή και την υβριδική κβαντική υπολογιστική, οι ερευνητές ανέπτυξαν μοντέλα για έναν beam splitter, που διαχωρίζει ή συνδυάζει φως, αλλά και για μερικά εξαιρετικά απλοποιημένα μικρά μίνι-Σύμπαντα.
Για παράδειγμα, η «διαβόητα απαιτητική» μοντελοποίηση βαθμίδας βαθμίδων gauge σε δύο χωρικές διαστάσεις και μία χρονική διάσταση φέρνει στο μυαλό τις μέρες του Pong ή του Sonic.
Αυτό μπορεί να ακούγεται περιορισμένο, αν σκεφτεί κανείς τη φασαρία που συνοδεύει συχνά την κβαντική υπολογιστική, όμως στην πραγματικότητα αποτελεί ένα επιστημονικό σημείο ισορροπίας.
Η μοντελοποίηση σε μία χωρική διάσταση είναι υπερβολικά απλή, ενώ η μοντελοποίηση στις τρεις χωρικές διαστάσεις του γνωστού μας Σύμπαντος, μαζί με τη χρονική διάσταση, είναι εξαιρετικά δύσκολη.
«Επειδή αυτό το [υβριδικό πλαίσιο] μειώνει τον απαιτούμενο υπολογιστικό φόρτο κατά χίλιες φορές, προβλήματα χημείας και υλικών με πρακτική αξία θα μπορούσαν να γίνουν προσιτά σε μηχανές που κατασκευάζονται σήμερα, πολύ πριν φτάσουν οι μεγάλοι υπολογιστές με διόρθωση σφαλμάτων», αναφέρουν οι ερευνητές.
Αξίζει να σημειωθεί ότι οι θεωρίες 2+1 διαστάσεων έχουν εφαρμογή και στην πραγματική ζωή.
Για παράδειγμα, το γραφένιο, που θεωρείται το ισχυρότερο γνωστό υλικό, είναι στην πράξη δισδιάστατο. Οι αλληλεπιδράσεις σε δύο διαστάσεις είναι επίσης κρίσιμες για τον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια στα υπεραγώγιμα υλικά, με σημαντικές συνέπειες για την αποθήκευση ενέργειας.
Συνολικά, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η υβριδική κβαντική υπολογιστική μπορεί να είναι πολύ πιο ακριβής και πολύ σύντομα.
Για παράδειγμα, για να ταιριάξει hardware qubit-boson με fidelity 99,9% ανά πύλη —δηλαδή με ακρίβεια μιας λογικής πύλης στην τροποποίηση της κβαντικής κατάστασης ενός qubit— ένας κορυφαίος κβαντικός υπολογιστής μόνο με qubits θα χρειαζόταν ακρίβεια τουλάχιστον 99,9999% ανά πύλη.
Αυτά τα πολλά «εννιάρια» αντιστοιχούν σε διαφορά τριών τάξεων μεγέθους και σήμερα δεν είναι εφικτά.
Το hardware qubit-boson θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση πολλών σημαντικών αινιγμάτων, όπως οι αλληλεπιδράσεις φωνονίων —quasiparticles δονητικής ενέργειας— και ηλεκτρονίων, προσφέροντας ένα θεμελιώδες πλαίσιο για τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας.
Η συγκεκριμένη προσέγγιση θα μπορούσε επίσης να μειώσει τα σφάλματα στην κβαντική υπολογιστική, περιορίζοντας τις πολλές λογικές πύλες qubit που διαφορετικά θα έπρεπε να συνδεθούν μεταξύ τους, ενώ παράλληλα θα απελευθέρωνε πόρους, καταργώντας τα «ancilla qubits» που χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό σφαλμάτων.
Με όποιον τρόπο κι αν εξελιχθεί, οι συνέπειες της κβαντικής υπολογιστικής μπορεί να είναι καθοριστικές.
«Η κατανόηση του πώς τα φυτά μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ενέργεια, πώς ορισμένα υλικά μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς απώλειες ή πώς τα φάρμακα συνδέονται με τους στόχους τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερα ηλιακά κύτταρα, δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας και φάρμακα», εξηγούν οι ερευνητές.
«Όλα αυτά είναι επίσης κβαντικά προβλήματα, πολύ δύσκολα για οποιονδήποτε κλασικό υπερυπολογιστή, και όλα περιλαμβάνουν μποζόνια: δονήσεις ή σωματίδια φωτός».
Ίσως το πιο ενδιαφέρον στοιχείο αυτής της δουλειάς είναι ότι δείχνει να είναι άμεσα εφαρμόσιμη, επισημαίνουν οι ερευνητές, καθώς πρόκειται για ένα πλαίσιο που μπορεί να αξιοποιηθεί.
Αν μπορούσε κανείς απλώς να συνδυάσει ένα qubit και έναν ταλαντωτή, θα πετύχαινε καλύτερα κβαντικά αποτελέσματα, μειώνοντας τους απαιτούμενους πόρους.
Ευτυχώς, τόσο τα qubits όσο και οι ταλαντωτές είναι ευρέως διαθέσιμοι.
«Κατά τη γνώμη μου, η πιο ενθαρρυντική πλευρά αυτής της πρότασης είναι πόσο μέτριες είναι οι απαιτήσεις σε hardware. Αυτές οι απαιτήσεις μπορούν να καλυφθούν από συσκευές της άμεσης προοπτικής, χωρίς να περιμένουμε τη διόρθωση σφαλμάτων στην κβαντική υπολογιστική», λέει ο Anthony Ciavarella, επιστήμονας υπολογιστικής έρευνας στο Lawrence Berkeley National Lab στην Καλιφόρνια.
«Αυτή η εργασία δίνει έναν συγκεκριμένο στόχο για την ανάπτυξη hardware, και οι απαιτούμενες πιστότητες στις πύλες είναι κοντά σε όσα ήδη πετυχαίνουν οι υπάρχουσες συσκευές».
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Physical Review X.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
