Καθοριστικό άλμα εξέλιξης στην Κβαντική Πληροφορική

Ένα ιδιαίτερα ενθαρρυντικό ορόσημο κατέγραψαν πρόσφατα ερευνητές στον ταχύτατα εξελισσόμενο τομέα της Κβαντικής Πληροφορικής. Για πρώτη φορά στην ιστορία, κατάφεραν να διατηρήσουν ένα qubit σε κατάσταση συνοχής για περισσότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Η επίδοση αυτή ξεπερνά κατά πολύ το προηγούμενο ρεκόρ των 0,6 χιλιοστών του δευτερολέπτου, το οποίο είχε καταγραφεί από το Fermilab μόλις έναν χρόνο νωρίτερα.

Το επίτευγμα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications και αφορά τα transmon qubits, μια ιδιαίτερη κατηγορία υπεραγώγιμων qubits, που θεωρείται από τις πιο ελπιδοφόρες για την ανάπτυξη λειτουργικών κβαντικών υπολογιστών. Η διάρκεια συνοχής αποτελεί κρίσιμο παράγοντα στην απόδοση αυτών των συστημάτων, καθώς καθορίζει το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ένα qubit μπορεί να διατηρήσει πληροφορία χωρίς να την απωλέσει λόγω παρεμβολών από το περιβάλλον.

Σε αντίθεση με τα κλασικά bits, που μπορούν να πάρουν την τιμή 0 ή 1, τα qubits εκμεταλλεύονται τις αρχές της υπέρθεσης και της διεμπλοκής, επιτρέποντας την ύπαρξή τους σε πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα. Αυτή η μοναδική ιδιότητα είναι και το πλεονέκτημά τους, αλλά ταυτόχρονα και η μεγάλη τους αδυναμία, καθώς τα καθιστά εξαιρετικά ευαίσθητα στον «θόρυβο» του περιβάλλοντος. Όταν ένα qubit απορρυθμίζεται, η διαδικασία αυτή ονομάζεται αποσυνοχή (decoherence) και οδηγεί σε απώλεια δεδομένων.

Σύμφωνα με τον Mikko Möttönen, επικεφαλής της μελέτης από το Aalto University στη Φινλανδία, οι ερευνητές αναζήτησαν εναλλακτικές μεθόδους για την κατασκευή qubits, πέρα από τις συμβατικές τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων. Αν και η διόρθωση σφαλμάτων αποτελεί βασικό εργαλείο στην κβαντική πληροφορική, δεν αρκεί από μόνη της για να αντισταθμίσει την αποσυνοχή. Όπως εξηγεί ο Ioan Pop από το Karlsruhe Institute of Technology, με τον οποίο ο Möttönen έχει συνεργαστεί στο παρελθόν, η λογική ενός «λογικού qubit» προκύπτει από τη σύνθεση πολλών φυσικών qubits σε ένα ενιαίο κύκλωμα. Αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει την αντιμετώπιση σφαλμάτων πιο αποτελεσματικά, όμως δεν μπορεί να εξαλείψει πλήρως τις απώλειες.

Γι’ αυτό και η ομάδα εστίασε στη βελτιστοποίηση της ίδιας της φυσικής κατασκευής των qubits, δοκιμάζοντας διαφορετικές διατάξεις καλωδίωσης και φροντίζοντας ιδιαίτερα την καθαρότητα των επιφανειών επαφής στα κυκλώματα. Αυτές οι παρεμβάσεις οδήγησαν τελικά σε qubits με διάρκεια συνοχής της τάξης του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου – ένα διάστημα που μπορεί να φαίνεται ελάχιστο, αλλά στην κβαντική κλίμακα θεωρείται σημαντικό, δεδομένου ότι τα qubits λειτουργούν συνήθως σε νανοδευτερόλεπτα.

Όπως επισημαίνει ο Möttönen, αυτή η παράταση στη διάρκεια συνοχής δίνει τη δυνατότητα στα qubits να εκτελέσουν τεράστιο αριθμό περίπλοκων υπολογισμών, πριν χαθεί η πληροφορία. Παράλληλα, μειώνει την ανάγκη για συνεχείς επαναλήψεις διόρθωσης σφαλμάτων, εξοικονομώντας χρόνο και ενέργεια.

Το αποτέλεσμα αυτό αποτελεί σημαντικό βήμα για την υλοποίηση του λεγόμενου “quantum advantage” – τη στιγμή δηλαδή που οι κβαντικοί υπολογιστές θα ξεπερνούν σε ισχύ ακόμη και τους πιο ισχυρούς κλασικούς υπερυπολογιστές. Αν και ο όρος χρησιμοποιείται ευρέως, ελάχιστα συστήματα έχουν πλησιάσει πραγματικά αυτό το ορόσημο. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το Sycamore της Google με 53 qubits και το σύστημα της Quantinuum με 56, κανένα όμως δεν κατάφερε να φτάσει την πλήρη υπεροχή, σύμφωνα με τους ειδικούς.

Ο Pop τονίζει ότι η επιτυχία της ομάδας έγκειται κυρίως στη σχολαστική προσοχή στην κατασκευή των συσκευών.

Δεν με εκπλήσσει το γεγονός ότι οι καθαρές διεπαφές οδηγούν σε καλύτερα qubits, αλλά με εντυπωσιάζει ότι το κατάφεραν – γιατί είναι εξαιρετικά δύσκολο να ελέγξεις όλες τις παραμέτρους. Είναι σαν να μαγειρεύεις με ακρίβεια υψηλού επιπέδου.

Παρά το κατόρθωμα, οι ερευνητές παραδέχονται ότι πρόκειται μόνο για ένα βήμα από τα πολλά που απαιτούνται για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων της κβαντικής υπολογιστικής. Όπως σημειώνει ο Möttönen, οι τρέχοντες υπολογιστές έχουν ήδη φτάσει σε επίπεδο ακρίβειας που επιτρέπει την εκτέλεση πολύπλοκων κυκλωμάτων. Το ζητούμενο πλέον είναι η περαιτέρω ενίσχυση της αξιοπιστίας τους, ώστε τα αποτελέσματα να είναι σταθερά και πρακτικά αξιοποιήσιμα.

[via]