Σημαντικά βήματα προς την επανάσταση των κβαντικών υπολογιστών
Κατάφεραν να αναπτύξουν ένα μαγνητικό μέσο αποθήκευσης στο οποίο κάθε bit αντιστοιχεί σε ένα μόνο άτομο
Στη μικρότερη μνήμη του κόσμου, κάθε άτομο στην εικόνα αντιστοιχεί σε ένα bit (Πηγή: KIT/T. Miyamachi)
Ουάσινγκτον
Οι καταστάσεις
Στους σημερινούς υπολογιστές, κάθε bit πληροφορίας μπορεί να βρίσκεται είτε στην κατάσταση «0» είτε στην κατάσταση «1». Στους κβαντικούς υπολογιστές, όμως, κάθε κβαντικό bit ή qubit μπορεί να παίρνει τις τιμές «0» και «1» ταυτόχρονα, χάρη σε ένα αλλόκοτο κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση.
Και αυτή η ικανότητα των qubit να βρίσκονται σε δύο καταστάσεις θα επέτρεπε στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα. Ένα από τα βασικά προβλήματα στην ανάπτυξη τέτοιων υπολογιστών είναι ότι τα qubit είναι εξαιρετικά ασταθή, δηλαδή έχουν την τάση να χάνουν την αρχική κβαντική τους κατάσταση και μετατρέπονται σε απλά «0» ή «1».
Ο χρόνος ζωής
Μελέτη που δημοσιεύεται από διεθνή ερευνητική ομάδα στο τελευταίο τεύχος του «Science» αυξάνει τώρα σημαντικά το χρόνο ζωής των qubit. Οι καταστάσεις υπέρθεσης στο πειραματικό σύστημα διατηρήθηκαν αναλλοίωτες σε θερμοκρασία δωματίου για το χρόνο ρεκόρ των 29 λεπτών, συγκριτικά με μόλις 2 δευτερόλεπτα στον προηγούμενο κάτοχο του ρεκόρ.
Οι ερευνητές κωδικοποίησαν πληροφορίες σε άτομα φωσφόρου, τα οποία είχαν τοποθετηθεί σε μια πλάκα από πυρίτιο από το οποίο είχε πρώτα απομακρυνθεί κάθε ακαθαρσία που θα μπορούσε να διαταράξει τη μαγνητική κατάσταση των ατόμων.
Τα άτομα έχουν μια εγγενή ιδιότητα που ονομάζεται ιδιοστροφορμή ή σπιν και τα κάνει να συμπεριφέρονται ουσιαστικά σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες. Ανάλογα με το πού είναι στραμμένοι οι πόλοι του μαγνήτη, το spin μπορεί να παίρνει τιμές «0» ή «1» ή να παίρνει κλίση ανάμεσα σε αυτές τις δύο καταστάσεις, οπότε υπάρχει υπέρθεση των καταστάσεων «0» και «1».
Χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα μαγνητικά πεδία, οι ερευνητές ανάγκασαν το σπιν των ατόμων φωσφόρου να πάρει κλίση και να δημιουργήσει έτσι μια υπέρθεση δύο καταστάσεων. Το πείραμα έδειξε ότι η υπέρθεση έμενε σταθερή για τρεις ώρες σε θερμοκρασία -269 βαθμών Κελσίου και για 29 λεπτά σε θερμοκρασία 25 βαθμών -χρόνος θεωρητικά αρκετός για εκατομμύρια υπολογισμούς.
«Αυτοί οι χρόνοι ζωής είναι δεκαπλάσιοι σε σχέση με προηγούμενα πειράματα. Αναπτύξαμε ένα σύστημα που φαίνεται να μην έχει καθόλου θόρυβο. Πρόκειται για qubit υψηλής απόδοσης» σχολίασε η Στέφανι Σίμονς του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, μέλος της ερευνητικής ομάδας.
Στην πραγματικότητα όμως όλα τα qubit του συστήματος βρίσκονταν στις ίδιες καταστάσεις. Επόμενο βήμα θα είναι να πραγματοποιήσει το σύστημα υπολογισμούς τοποθετώντας διαφορετικά qubit σε διαφορετικές καταστάσεις.
Η σταθερότητα
Στη δεύτερη μελέτη, η οποία παρουσιάζεται στο «Nature», ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης, αναφέρουν ότι κατάφεραν αν διατηρήσουν σταθερό για δέκα λεπτά ένα bit που αποτελούνταν από ένα και μόνο άτομο.
Στις σημερινές μαγνητικές μνήμες, όπως για παράδειγμα οι σκληροί δίσκοι, κάθε bit πληροφορίας πρέπει να αποτελείται από εκατομμύρια άτομα προκειμένου να διατηρεί σταθερή την κατάστασή του ως «0» ή «1».
«Ένα μεμονωμένο άτομο, τοποθετημένο σε ένα υπόστρωμα, είναι τόσο ευαίσθητο ώστε ο μαγνητικός προσανατολισμός του [το σπιν] είναι σταθερό μόνο για κλάσματα του μικροδευτερολέπτου» επισημαίνει ο Βουλφ Βούλφχεκελ, επικεφαλής της έρευνας.
Η λύση ήταν να τοποθετηθεί ένα άτομο του εξωτικού στοιχείου όλμιου πάνω σε ένα υπόστρωμα από πλατίνα. Ο συνδυασμός των δύο συγκεκριμένων υλικών εξουδετέρωσε τις αλληλεπιδράσεις του bit με το υπόστρωμα και διατήρησε σταθερό το spin του ατόμου για δέκα λεπτά.
Ο χρόνος αυτός «είναι περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερος από ό,τι σε άλλα, συγκρίσιμα ατομικά συστήματα» υπερηφανεύεται ο Βούλφχεκελ.
Επόμενο στάδιο θα είναι να εγγραφούν πληροφορίες στην ατομική μνήμη με τη χρήση εξωτερικών μαγνητικών πεδίων. Στο απώτερο μέλλον, η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να αυξήσει την πυκνότητα των δεδομένων στα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης ή ακόμα να αξιοποιηθεί σε κβαντικούς υπολογιστές.
Διεθνείς ερευνητικές
ομάδες παρουσιάζουν στις επιθεωρήσεις «Science» και «Nature» δύο
σημαντικά επιτεύγματα στο δρόμο προς τους λεγόμενους κβαντικούς
υπολογιστές και το κβαντικό Διαδίκτυο. Κατάφεραν να διατηρήσουν ένα
σύστημα κβαντικής μνήμης σταθερό σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά και να
αναπτύξουν ένα μαγνητικό μέσο αποθήκευσης στο οποίο κάθε bit αντιστοιχεί
σε ένα μόνο άτομο.
Οι καταστάσεις
Στους σημερινούς υπολογιστές, κάθε bit πληροφορίας μπορεί να βρίσκεται είτε στην κατάσταση «0» είτε στην κατάσταση «1». Στους κβαντικούς υπολογιστές, όμως, κάθε κβαντικό bit ή qubit μπορεί να παίρνει τις τιμές «0» και «1» ταυτόχρονα, χάρη σε ένα αλλόκοτο κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση.
Και αυτή η ικανότητα των qubit να βρίσκονται σε δύο καταστάσεις θα επέτρεπε στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα. Ένα από τα βασικά προβλήματα στην ανάπτυξη τέτοιων υπολογιστών είναι ότι τα qubit είναι εξαιρετικά ασταθή, δηλαδή έχουν την τάση να χάνουν την αρχική κβαντική τους κατάσταση και μετατρέπονται σε απλά «0» ή «1».
Ο χρόνος ζωής
Μελέτη που δημοσιεύεται από διεθνή ερευνητική ομάδα στο τελευταίο τεύχος του «Science» αυξάνει τώρα σημαντικά το χρόνο ζωής των qubit. Οι καταστάσεις υπέρθεσης στο πειραματικό σύστημα διατηρήθηκαν αναλλοίωτες σε θερμοκρασία δωματίου για το χρόνο ρεκόρ των 29 λεπτών, συγκριτικά με μόλις 2 δευτερόλεπτα στον προηγούμενο κάτοχο του ρεκόρ.
Οι ερευνητές κωδικοποίησαν πληροφορίες σε άτομα φωσφόρου, τα οποία είχαν τοποθετηθεί σε μια πλάκα από πυρίτιο από το οποίο είχε πρώτα απομακρυνθεί κάθε ακαθαρσία που θα μπορούσε να διαταράξει τη μαγνητική κατάσταση των ατόμων.
Τα άτομα έχουν μια εγγενή ιδιότητα που ονομάζεται ιδιοστροφορμή ή σπιν και τα κάνει να συμπεριφέρονται ουσιαστικά σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες. Ανάλογα με το πού είναι στραμμένοι οι πόλοι του μαγνήτη, το spin μπορεί να παίρνει τιμές «0» ή «1» ή να παίρνει κλίση ανάμεσα σε αυτές τις δύο καταστάσεις, οπότε υπάρχει υπέρθεση των καταστάσεων «0» και «1».
Χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα μαγνητικά πεδία, οι ερευνητές ανάγκασαν το σπιν των ατόμων φωσφόρου να πάρει κλίση και να δημιουργήσει έτσι μια υπέρθεση δύο καταστάσεων. Το πείραμα έδειξε ότι η υπέρθεση έμενε σταθερή για τρεις ώρες σε θερμοκρασία -269 βαθμών Κελσίου και για 29 λεπτά σε θερμοκρασία 25 βαθμών -χρόνος θεωρητικά αρκετός για εκατομμύρια υπολογισμούς.
«Αυτοί οι χρόνοι ζωής είναι δεκαπλάσιοι σε σχέση με προηγούμενα πειράματα. Αναπτύξαμε ένα σύστημα που φαίνεται να μην έχει καθόλου θόρυβο. Πρόκειται για qubit υψηλής απόδοσης» σχολίασε η Στέφανι Σίμονς του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, μέλος της ερευνητικής ομάδας.
Στην πραγματικότητα όμως όλα τα qubit του συστήματος βρίσκονταν στις ίδιες καταστάσεις. Επόμενο βήμα θα είναι να πραγματοποιήσει το σύστημα υπολογισμούς τοποθετώντας διαφορετικά qubit σε διαφορετικές καταστάσεις.
Η σταθερότητα
Στη δεύτερη μελέτη, η οποία παρουσιάζεται στο «Nature», ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης, αναφέρουν ότι κατάφεραν αν διατηρήσουν σταθερό για δέκα λεπτά ένα bit που αποτελούνταν από ένα και μόνο άτομο.
Στις σημερινές μαγνητικές μνήμες, όπως για παράδειγμα οι σκληροί δίσκοι, κάθε bit πληροφορίας πρέπει να αποτελείται από εκατομμύρια άτομα προκειμένου να διατηρεί σταθερή την κατάστασή του ως «0» ή «1».
«Ένα μεμονωμένο άτομο, τοποθετημένο σε ένα υπόστρωμα, είναι τόσο ευαίσθητο ώστε ο μαγνητικός προσανατολισμός του [το σπιν] είναι σταθερό μόνο για κλάσματα του μικροδευτερολέπτου» επισημαίνει ο Βουλφ Βούλφχεκελ, επικεφαλής της έρευνας.
Η λύση ήταν να τοποθετηθεί ένα άτομο του εξωτικού στοιχείου όλμιου πάνω σε ένα υπόστρωμα από πλατίνα. Ο συνδυασμός των δύο συγκεκριμένων υλικών εξουδετέρωσε τις αλληλεπιδράσεις του bit με το υπόστρωμα και διατήρησε σταθερό το spin του ατόμου για δέκα λεπτά.
Ο χρόνος αυτός «είναι περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερος από ό,τι σε άλλα, συγκρίσιμα ατομικά συστήματα» υπερηφανεύεται ο Βούλφχεκελ.
Επόμενο στάδιο θα είναι να εγγραφούν πληροφορίες στην ατομική μνήμη με τη χρήση εξωτερικών μαγνητικών πεδίων. Στο απώτερο μέλλον, η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να αυξήσει την πυκνότητα των δεδομένων στα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης ή ακόμα να αξιοποιηθεί σε κβαντικούς υπολογιστές.
Αναδημοσίευση από το ΒΗΜΑ 20/11/2013.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου