Μια σημαντική πρόοδος στην κβαντική πληροφορική ανακοινώθηκε από Κινέζους ερευνητές: ένα κβαντικό τσιπ πυριτίου κατάφερε να εκτελέσει πλήρεις λογικές πράξεις ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων. Αυτό αποτελεί παγκόσμια πρωτιά και ένα κρίσιμο βήμα προς τη δημιουργία αξιόπιστων κβαντικών υπολογιστών.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature Nanotechnology, έδειξε ότι η συσκευή μπορεί να επεξεργάζεται κβαντικές πληροφορίες με ενσωματωμένους ελέγχους σφαλμάτων. Ενώ παρόμοια επιτεύγματα είχαν παρατηρηθεί σε πλατφόρμες όπως τα υπεραγώγιμα κυκλώματα, ποτέ πριν δεν είχαν επιτευχθεί με υλικό πυριτίου.
Η ομάδα από το Διεθνές Κέντρο Κβαντικής Ακαδημίας της Σενζέν (Shenzhen International Quantum Academy) επισημαίνει ότι τα βασικά δομικά στοιχεία για έναν ευρέως χρησιμοποιήσιμο, ανθεκτικό στα σφάλματα κβαντικό υπολογιστή “είναι πλέον διαθέσιμα στο πυρίτιο“. Το πυρίτιο, το υλικό που βρίσκεται παντού στα smartphone, τους φορητούς υπολογιστές και τα κέντρα δεδομένων, υπόσχεται να φέρει την κβαντική επανάσταση στην καθημερινότητά μας.
Οι ερευνητές προχώρησαν ακόμη παραπέρα, χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή για να υπολογίσουν την κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας ενός μορίου νερού, φτάνοντας σε ένα αποτέλεσμα που είναι εξαιρετικά κοντά στην θεωρητική τιμή. Αυτό αποδεικνύει ότι η προσέγγισή τους είναι “εφικτή για την εκτέλεση πρακτικών κβαντικών αλγορίθμων”.
Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν σχεδιαστεί για να λύνουν συγκεκριμένα προβλήματα που θα ξεπερνούσαν ακόμα και τους ταχύτερους συμβατικούς υπολογιστές, όπως η προσομοίωση μορίων ή η βελτιστοποίηση σύνθετων συστημάτων. Σε αντίθεση με τους απλούς υπολογιστές που επεξεργάζονται πληροφορίες ως 0 και 1, οι κβαντικοί χρησιμοποιούν κβαντικά δυαδικά ψηφία (qubits) τα οποία μπορούν να αναπαραστήσουν πολλαπλές πιθανότητες ταυτόχρονα, καθιστώντας ορισμένους υπολογισμούς πολύ πιο αποδοτικούς.
Μέχρι σήμερα, επιστήμονες έχουν κατασκευάσει πρωτότυπους κβαντικούς υπολογιστές χρησιμοποιώντας διάφορα υλικά, όπως υπεραγώγιμα κυκλώματα, παγιδευμένα ιόντα και ουδέτερα άτομα. Η Google, για παράδειγμα, πρωτοστατεί στην υπεραγώγιμη κβαντική υπολογιστική, ενώ στην Κίνα, ένα φωτονικό σύστημα ονόματι Jiuzhang έχει τραβήξει την παγκόσμια προσοχή.
Ως θεμέλιο της σύγχρονης βιομηχανίας τσιπ, το πυρίτιο είναι ελκυστικό επειδή οι κβαντικές μηχανές που βασίζονται σε αυτό θα μπορούσαν μια μέρα να κατασκευαστούν ευκολότερα και σε μεγαλύτερη κλίμακα. Πριν από αυτή τη μελέτη, οι κβαντικές συσκευές πυριτίου είχαν επιδείξει έλεγχο υψηλής ακρίβειας σε μικρό αριθμό qubits, αλλά η συνεργασία τους με τρόπο που θα μπορούσε να ελέγξει για σφάλματα παρέμενε μια μεγάλη πρόκληση.
Η ομάδα της Σενζέν κατασκεύασε τον επεξεργαστή της μελέτης τοποθετώντας άτομα φωσφόρου σε πυρίτιο με ατομική ακρίβεια, δημιουργώντας μια μικροσκοπική συσκευή όπου τα qubits μπορούσαν να ελέγχονται ατομικά. Ανέπτυξαν επίσης έναν τρόπο να μειώσουν την παρεμβολή του σήματος, μια κύρια πηγή σφαλμάτων στα κβαντικά συστήματα.
Χρησιμοποιώντας τέσσερα τέτοια qubits, οι ερευνητές τα ομαδοποίησαν σε δύο προστατευμένες μονάδες για υπολογισμό. Η προσέγγιση επέτρεψε στη συσκευή να επισημαίνει σφάλματα που προκαλούνται από τυχαίο θόρυβο ή παρεμβολές, τα οποία διαφορετικά θα επηρέαζαν τα αποτελέσματα των υπολογισμών.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, πρόκειται για τον πρώτο κβαντικό επεξεργαστή πυριτίου που παρουσιάζει ολόκληρη την αλυσίδα – από την προετοιμασία καταστάσεων με έλεγχο σφαλμάτων, μέχρι την εκτέλεση των βασικών υπολογιστικών βημάτων και τη χρήση τους σε πραγματικό αλγόριθμο.
Η ομάδα δήλωσε ότι η επόμενη πρόκληση θα είναι η μείωση της παρεμβολής μεταξύ των σημάτων, η τοποθέτηση των ατόμων με μεγαλύτερη ακρίβεια και η επέκταση του συστήματος ώστε περισσότερα qubits να μπορούν να συνεργάζονται στο ίδιο τσιπ. Ο μακροπρόθεσμος στόχος, όπως τόνισαν, είναι η μετατροπή της κβαντικής υπολογιστικής πυριτίου σε πρακτική τεχνολογία συμβατή με τη βιομηχανία ημιαγωγών.
