Μια εντυπωσιακή επιστημονική κατάκτηση έρχεται από την Κίνα, όπου ερευνητές παρατήρησαν και χειρίστηκαν για πρώτη φορά άμεσα την προθερμική κατάσταση (prethermalisation) σε κβαντικά συστήματα. Το επίτευγμα έγινε εφικτό χάρη στον υπεραγώγιμο επεξεργαστή “Chuang-tzu 2.0” με 78 κβαντικά μπιτ (qubits), ο οποίος επιτρέπει στους επιστήμονες να “ρυθμίζουν” την ταχύτητα της κβαντικής αποσυνοχής.
Στην ουσία, όταν ένα κβαντικό σύστημα διαταράσσεται, τείνει φυσικά να επανέλθει σε μια ισορροπημένη κατάσταση, όπου η ενέργεια και οι πληροφορίες διαχέονται ομοιόμορφα. Φανταστείτε ένα εκκρεμές: ταλαντώνεται για λίγο, αλλά τελικά σταματά. Αυτή η διαδικασία αποτελεί σημαντικό εμπόδιο για την κβαντική υπολογιστική, καθώς απαιτεί τη διατήρηση της πληροφορίας άθικτης. Αν ένα σύστημα αλλάζει πολύ γρήγορα, τα αποτελέσματα των υπολογισμών είναι δύσκολο να αποθηκευτούν και να ανακτηθούν. Πρόβλεψη της διάρκειας ή των παραγόντων που επηρεάζουν αυτή τη διαδικασία ξεπερνά τις δυνατότητες των σημερινών κλασικών υπολογιστών.
Σε μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature στις 28 Ιανουαρίου, ερευνητές από το Ινστιτούτο Φυσικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών ανακοίνωσαν την πρώτη παρατήρηση μιας αντιφατικής ενδιάμεσης φάσης κατά την εξέλιξη αυτή. Αυτή η φάση είναι παροδική, σχετικά σταθερή και, κυρίως, ελεγχόμενη, προσφέροντας μια πιθανή λύση για τη διατήρηση της κβαντικής πληροφορίας.
Η φάση προθερμικής κατάστασης παρομοιάζεται με το λιώσιμο του πάγου: πριν ο πάγος λιώσει εντελώς σε νερό, η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή στους 0 βαθμούς Κελσίου για κάποιο διάστημα. Αντίστοιχα, σε αυτή τη σύντομη “πλατό” φάση, το κβαντικό σύστημα αντιστέκεται στο χάος και διατηρεί την πληροφορία του.
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στον “Chuang-tzu 2.0”, έναν υπεραγώγιμο κβαντικό επεξεργαστή με 78 κβαντικά μπιτ. Για τον ακριβή χειρισμό του συστήματος, η ομάδα χρησιμοποίησε μια προσαρμοσμένη ακολουθία ελέγχου. Με λεπτές ρυθμίσεις στο μοτίβο και τον χρονισμό αυτής της ακολουθίας – σαν να προσαρμόζουν έναν “ρυθμό θέρμανσης” – μπόρεσαν να επιμηκύνουν ή να συντομεύσουν την περίοδο σταθερής προθερμικής κατάστασης ανάλογα με τις ανάγκες.
Ο Fan Heng, καθηγητής στο Ινστιτούτο Φυσικής και συν-αντίστοιχος συγγραφέας της εργασίας, δήλωσε χαρακτηριστικά ότι η ομάδα, σαν μαέστροι, “κατάφερε να επιμηκύνει ή να συντομεύσει τη διάρκεια της προθερμικής κατάστασης”. “Στον Chuang-tzu 2.0, είδαμε καθαρά ότι το χάος συγκρατείται κατά τη διάρκεια του πλατό,” ανέφερε ο Fan. “Αλλά μόλις τελειώσει αυτή η περίοδος, η πολυπλοκότητα εκρήγνυται και η πληροφορία πλημμυρίζει ολόκληρο το σύστημα.” “Η ύπαρξη του πλατό προθερμικής κατάστασης υποδηλώνει ένα πιθανό χρονικό παράθυρο για τη χρήση κβαντικής πληροφορίας πριν διαλυθεί,” πρόσθεσε.
Η κατανόηση των νόμων της θερμικής κατάστασης βοηθά στο σχεδιασμό ελεγχόμενων κβαντικών λειτουργιών και στην παράταση της διάρκειας ζωής των κβαντικών καταστάσεων, επηρεάζοντας άμεσα την πρακτικότητα της κβαντικής υπολογιστικής. Ο Fan ανέφερε ότι η έρευνα θα παρέχει επίσης νέες ιδέες για το σχεδιασμό καλύτερων σχημάτων κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων και την επέκταση του χρόνου συνοχής των κβαντικών μπιτ στο μέλλον. Επιβεβαιώνει το μοναδικό πλεονέκτημα των κβαντικών προσομοιωτών στην επίλυση συγκεκριμένων σύνθετων προβλημάτων.
Ο “Chuang-tzu 2.0” ήταν για τον κβαντικό κόσμο ό,τι ήταν μια αεροσήραγγα για τα μαχητικά αεροσκάφη, συμπλήρωσε ο Fan. “Για ένα κβαντικό σύστημα με σχεδόν 100 μπιτ, ο χώρος των καταστάσεών του είναι εξαιρετικά τεράστιος, καθιστώντας την πλήρη προσομοίωση καταστάσεων με κλασικούς υπολογιστές ανέφικτη,” είπε. “Ως φυσικό κβαντικό σύστημα, ένας κβαντικός επεξεργαστής μπορεί άμεσα να ‘εξελιχθεί’ και να αποκαλύψει τέτοιους σύνθετους δυναμικούς νόμους.” Ο Fan δήλωσε ότι η ομάδα του θα συνεχίσει να επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μεγαλύτερης κλίμακας, υψηλότερης απόδοσης κβαντικών τσιπ.
Σύμφωνα με δημοσίευμα της 3ης Φεβρουαρίου στην Guangming Daily, το πείραμα των ερευνητών “χρησιμοποίησε ένα κβαντικό τσιπ για να μοντελοποιήσει διαδικασίες υπερβολικά σύνθετες για τους απλούς υπολογιστές και είναι απλώς μια ματιά στο δυναμικό της κβαντικής υπολογιστικής”. Η εφημερίδα πρόσθεσε ότι “η κύρια δύναμη της κβαντικής τεχνολογίας είναι η ικανότητά της να διαχειρίζεται θεμελιωδώς τις σύνθετες αλληλεξαρτήσεις εντός τεράστιων παράλληλων δυνατοτήτων”.
Στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων ή υλικών υψηλής απόδοσης, οι χημικοί συχνά βασίζονται σε εκτεταμένες δοκιμές σε εργαστήρια, επειδή η ακριβής προσομοίωση της κβαντικής συμπεριφοράς ακόμη και ενός μορίου είναι εξαιρετικά δύσκολη για τους υπερυπολογιστές. Αντίθετα, “οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να προσομοιώσουν μόρια με τρόπο που οι απλοί υπολογιστές δεν μπορούν”, ανέφερε η εφημερίδα. “Λειτουργώντας ως φυσικός κβαντικός ‘προσομοιωτής’, θα μπορούσαν να μοντελοποιήσουν άμεσα χημικές αντιδράσεις και να επιταχύνουν σημαντικά την ανακάλυψη νέων φαρμάκων και υλικών μέσω εικονικών πειραμάτων.”
“Η σημερινή ασφάλεια στο διαδίκτυο χρησιμοποιεί συστήματα όπως το RSA, τα οποία είναι ασφαλή επειδή οι απλοί υπολογιστές δυσκολεύονται τρομερά να σπάσουν το μαθηματικό πρόβλημα πίσω από αυτά,” συνέχισε, αναφερόμενη στον αλγόριθμο κρυπτογράφησης RSA, όπου τα δεδομένα που κρυπτογραφούνται με το δημόσιο κλειδί ενός χρήστη μπορούν να αποκρυπτογραφηθούν μόνο από το αντίστοιχο ιδιωτικό κλειδί. Ωστόσο, η κβαντική τεχνολογία προσφέρει μια νέα μέθοδο που ονομάζεται κβαντική διανομή κλειδιού. Σύμφωνα με την εφημερίδα, η νέα μέθοδος λειτουργεί “επειδή τα κβαντικά σωματίδια δεν μπορούν να αντιγραφούν τέλεια. Οποιαδήποτε προσπάθεια παραβίασης της επικοινωνίας θα διαταράξει το σύστημα και θα αφήσει σημάδια παραποίησης, καθιστώντας δυνατή τη δημιουργία επικοινωνίας ασφαλούς από υποκλοπές.”
