Ερευνητές δημιούργησαν τον Κβαντικό Κύβο του Ρούμπικ

Ο Κύβος του Ρούμπικ, ένα από τα πιο δημοφιλή παζλ λογικής στον κόσμο, απέκτησε πλέον μια εντελώς νέα, επαναστατική διάσταση: την κβαντική. Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder σχεδίασαν μια εκδοχή του που βασίζεται στις αρχές της κβαντικής φυσικής, προσφέροντας άπειρες δυνατές καταστάσεις και απροσδόκητες «κινήσεις».

Η κλασική εκδοχή του Κύβου του Ρούμπικ ανήκει στην κατηγορία των λεγόμενων παζλ μεταθέσεων, όπου ο παίκτης πρέπει να εκτελέσει μια σειρά συγκεκριμένων ενεργειών για να φέρει τον κύβο στην επιθυμητή «λυμένη» κατάσταση του, δηλαδή κάθε πλευρά να έχει ένα μόνο χρώμα. Ο αριθμός των πιθανών συνδυασμών ανέρχεται στα 43 πεντακισεκατομμύρια.

Ωστόσο, στην κβαντική του εκδοχή, ο αριθμός των δυνατών καταστάσεων είναι θεωρητικά άπειρος, χάρη σε μία νέα «κίνηση»: τη κβαντική υπέρθεση, δηλαδή την ικανότητα ενός κομματιού να βρίσκεται ταυτόχρονα σε δύο διαφορετικές θέσεις και να μην βρίσκεται σε καμία οριστικά, έως ότου μετρηθεί.

Οι ερευνητές δοκίμασαν την ιδέα αρχικά σε μια πιο απλή μορφή: ένα δισδιάστατο παζλ 2×2 από μπλε και πράσινα πλακίδια, με στόχο να βρίσκονται τα πράσινα επάνω από τα μπλε. Στην κλασική μορφή, το παζλ αυτό έχει μόλις έξι πιθανές μεταθέσεις. Με την προσθήκη κβαντικών δυνατοτήτων, το πλήθος αυξάνεται εκθετικά.

Για την υλοποίηση του παζλ, τα πλακίδια αντιμετωπίστηκαν ως σωματίδια, που λόγω της ταυτότητας τους θεωρούνται «συμπλεγμένα», ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της κβαντικής μηχανικής. Στην πλήρως κβαντική εκδοχή, επιτρέπονται υπερθέσεις μεταξύ δύο πλακιδίων, καθιστώντας την επίλυση πολύ πιο σύνθετη αλλά και πιο ευέλικτη.

Η ομάδα των επιστημόνων προσομοίωσε τρεις τύπους παικτών για να εξετάσει τις επιδόσεις τους σε 2.000 τυχαίες εκκινήσεις του παζλ:

• Κλασικός παίκτης: μπορεί να μεταθέτει μόνο δύο γειτονικά πλακίδια.
• Κβαντικός παίκτης: μπορεί μόνο να εισάγει υπερθέσεις ανάμεσα σε ζευγάρια πλακιδίων.
• Συνδυαστικός παίκτης: έχει πρόσβαση και στις δύο κινήσεις.

Τα αποτελέσματα ήταν ξεκάθαρα: ο συνδυαστικός παίκτης χρειάστηκε τον μικρότερο μέσο όρο βημάτων για την επίλυση (4,77 κινήσεις), ενώ ακολουθούσε ο κβαντικός (5,32) και τελευταίος ο κλασικός (5,88). Παρόλα αυτά, ο κλασικός παίκτης είχε ένα μικρό πλεονέκτημα στην ταχύτητα όταν έπεφτε σε «καλή» αρχική κατάσταση, αν και συχνά χρειαζόταν υπερδιπλάσιες κινήσεις, ανεβάζοντας τον μέσο όρο.

Το κβαντικό παζλ διατηρεί την αβεβαιότητα της Φυσικής που το ενέπνευσε. Όπως στο παράδειγμα της γάτας του Schrödinger, η υπέρθεση παραμένει ενεργή έως τη στιγμή της μέτρησης και τότε καταρρέει σε μία από τις πιθανές καταστάσεις. Αν είναι η επιθυμητή «λυμένη» μορφή, ο παίκτης πέτυχε. Διαφορετικά, το παζλ αναδιατάσσεται και η διαδικασία ξεκινά ξανά. Αυτό το χαρακτηριστικό δίνει στον κβαντικό παίκτη ένα θεωρητικό προβάδισμα: ακόμη και αν δεν φτάσει ποτέ με ακρίβεια στην σωστή λύση, μπορεί μέσω της μέτρησης να επιτύχει το επιθυμητό αποτέλεσμα, εφόσον έχει πλησιάσει αρκετά.

Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι τέτοιου είδους παζλ σαν τον Κβαντικό Κύβο του Ρούμπικ μπορούν να υλοποιηθούν στο μέλλον μέσω δικτύων υπερψυχρών ατόμων σε οπτικά πλέγματα, ένα σύστημα που ήδη χρησιμοποιείται για προσομοιώσεις κβαντικών φαινομένων. Επιπλέον, η ομάδα σχεδίασε και μια τρισδιάστατη εκδοχή του παζλ, 2×2×1, με παρόμοιες ιδιότητες και φυσικά, άπειρες δυνατές καταστάσεις.

Αν και πρόκειται κυρίως για έναν θεωρητικό συλλογισμό, η έννοια του κβαντικού παζλ ανοίγει δρόμους για νέα μοντέλα υπολογισμού, εκπαιδευτικά εργαλεία και πιθανές μελλοντικές τεχνολογίες.

[via]