Μια πρωτοποριακή εξέλιξη στον τομέα της κβαντικής φυσικής έρχεται από την Κίνα, όπου ο φυσικός Pan Jianwei και η ομάδα του δημιούργησαν κάτι που θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως “κβαντικό τουβλάκι”. Αυτό το “τουβλάκι” δεν πέφτει, ακόμα και όταν κλονίζεται, υποσχόμενο να δώσει λύση σε ένα από τα μεγαλύτερα αγκάθια των κβαντικών υπολογιστών: τη διατήρηση της πληροφορίας.
Χρησιμοποιώντας έναν προγραμματιζόμενο κβαντικό επεξεργαστή ονόματι Zuchongzhi 2, η ομάδα του Pan κατάφερε να προσομοιώσει μια νέα, εξωτική κατάσταση ύλης. Σε αυτή την κατάσταση, τα κβαντικά φαινόμενα “κλειδώνονται” στις γωνίες ενός υλικού, προστατευμένα από τους βαθύς νόμους της τοπολογίας. Αυτή η “κβαντική πανοπλία” τις καθιστά εξαιρετικά ανθεκτικές σε λάθη και θόρυβο.
Αυτή η επίτευξη αποτελεί την πρώτη πειραματική υλοποίηση αυτού που οι επιστήμονες ονομάζουν “μη ισορροπημένες ανώτερες τοπολογικές φάσεις”. Η σημασία της έγκειται στο ότι προσφέρει έναν νέο τρόπο αποθήκευσης κβαντικών πληροφοριών, ο οποίος δεν διασπάται εύκολα – ένα κρίσιμο ζήτημα για την ανάπτυξη πρακτικών κβαντικών υπολογιστών.
Ο Pan, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC), έχει χαρακτηριστεί στο παρελθόν ως “πατέρας του κβαντικού” από το περιοδικό Nature. Η τρέχουσα εργασία του τον τοποθετεί στην πρώτη γραμμή του τεχνολογικού αγώνα με τις ΗΠΑ για την κατασκευή λειτουργικών κβαντικών υπολογιστών.
Στη δημοσίευσή τους, ο Pan και οι συνεργάτες του από το USTC και το Πανεπιστήμιο Shanxi, παρουσίασαν έναν τρόπο προσομοίωσης και ανίχνευσης αυτών των περίπλοκων καταστάσεων ύλης, οι οποίες διαθέτουν σταθερές γωνίες ή “αρμούς” αντί για επιφάνειες ή ακμές.
Αυτού του είδους η ύλη, η οποία δεν υπάρχει στη φύση, θα μπορούσε να επιτρέψει στους κβαντικούς υπολογιστές να λειτουργούν σωστά, ακόμη και παρουσία λαθών ή θορύβου. Αυτός ο παράγοντας αποτελεί σήμερα έναν περιορισμό στην πολυπλοκότητα των μηχανών, λόγω της ευαισθησίας των κβαντικών bit (qubits) στο περιβάλλον τους.
Αυτοί οι υπολογιστές θα είναι σε θέση να εκτελούν υπολογισμούς μεγάλης κλίμακας, οι οποίοι θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ανακαλύψεις φαρμάκων, προηγμένες εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης και ακριβείς περιβαλλοντικές προσομοιώσεις.
Η τοπολογία, ως μαθηματικός κλάδος, μελετά τις συνολικές ιδιότητες γεωμετρικών χώρων. Επιφάνειες θεωρούνται τοπολογικά αναλλοίωτες, εφόσον μπορούν να τεντωθούν, να λυγίσουν ή να συμπιεστούν, αλλά όχι να σχιστούν. Για παράδειγμα, μια σφαίρα μπορεί να μετατραπεί σε κύβο, αλλά όχι σε σχήμα ντόνατ. Ωστόσο, ένα ντόνατ και μια κούπα καφέ έχουν την ίδια τοπολογία, καθώς και τα δύο διαθέτουν μία “τρύπα”.
Οι πιο κοινές καταστάσεις ύλης είναι η υγρή, η αέρια και η στερεή. Ωστόσο, τα υλικά μπορούν να εμφανίζουν και εξωτικές κβαντικές καταστάσεις, όπως οι τοπολογικές φάσεις. Αυτές είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες για τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, καθώς τα τοπολογικά υλικά μπορούν να φέρουν μια νέα γενιά ηλεκτρονικών, υπεραγωγών και προηγμένων κβαντικών υπολογιστών.
Από τη δεκαετία του 1980, η έρευνα εστίαζε σε “ισορροπημένες” τοπολογικές φάσεις, δηλαδή αυτές που παραμένουν σταθερές με την πάροδο του χρόνου. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, η μελέτη των τοπολογικών φάσεων επεκτάθηκε και σε “μη ισορροπημένα” συστήματα, τα οποία εξελίσσονται συνεχώς και μπορούν να επηρεαστούν από εξωτερικές δυνάμεις, όπως ηλεκτρικά πεδία ή λέιζερ.
Αυτές οι νέες μορφές οργάνωσης θα μπορούσαν να ανοίξουν νέους ορίζοντες στην θεμελιώδη έρευνα και να έχουν εφαρμογές στην ανάπτυξη πιο προηγμένων κβαντικών υπολογιστών. Η επίτευξη ανώτερων τοπολογικών φάσεων σε μη ισορροπημένες καταστάσεις, οι οποίες μπορούν να συγκεντρώσουν κβαντικά φαινόμενα σε μικρότερες περιοχές, όπως οι γωνίες, ήταν δύσκολη λόγω έλλειψης αποτελεσματικών μεθόδων δοκιμής.
Χρησιμοποιώντας τμήματα του μοντέλου Zuchongzhi 2, με 66 qubits, η ομάδα του Pan κατάφερε να πετύχει την κβαντική προσομοίωση και ανίχνευση τόσο ισορροπημένων όσο και μη ισορροπημένων τοπολογικών φάσεων. Προγραμματιζόμενοι κβαντικοί επεξεργαστές όπως ο Zuchongzhi 2 μπορούν να επαναδιαμορφωθούν για διαφορετικές εργασίες, παρόμοια με έναν κλασικό υπολογιστή. Σε σύγκριση με τους μη προγραμματιζόμενους, προσφέρουν μεγαλύτερη ευελιξία, απαραίτητη για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή γενικής χρήσης.
Η ομάδα χρησιμοποίησε κβαντικά κυκλώματα σε ένα πλέγμα έξι επί έξι qubits για να προγραμματίσει τις μη ισορροπημένες ανώτερες τοπολογικές φάσεις και ανέπτυξε μια μέθοδο ανίχνευσής τους, μετρώντας τις μεταβαλλόμενες δυναμικές τους με την πάροδο του χρόνου. Η έρευνά τους ανοίγει τη δυνατότητα χρήσης των σημερινών, ατελών κβαντικών επεξεργαστών για την εξερεύνηση προσαρμοσμένων τοπολογικών υλικών, τόσο παρουσία όσο και απουσία αλληλεπιδράσεων, και εντός ή εκτός ισορροπίας.
