Από τη Santa Barbara της Καλιφόρνια μέχρι το Hefei της Κίνας, οι επιστήμονες αναπτύσσουν ένα νέο είδος υπολογιστή που θα κάνει τις σημερινές μηχανές να μοιάζουν με παιχνίδια.
Από τον Cade Metz/New York Times
Αξιοποιώντας τις μυστηριώδεις δυνάμεις της κβαντικής μηχανικής, η συγκεκριμένη τεχνολογία θα εκτελεί εργασίες μέσα σε λίγα λεπτά κάτι που ακόμη και οι υπερυπολογιστές δεν θα μπορούσαν να ολοκληρώσουν για χιλιάδες χρόνια. Το φθινόπωρο του 2019, η Google αποκάλυψε έναν πειραματικό κβαντικό υπολογιστή που δείχνει ότι αυτό είναι πλέον δυνατό. Δύο χρόνια αργότερα, ένα εργαστήριο στην Κίνα έκανε σχεδόν το ίδιο.
Αλλά ο κβαντικός υπολογισμός δεν θα φτάσει ποτέ στις πλήρεις δυνατότητές του χωρίς τη βοήθεια μιας άλλης τεχνολογικής ανακάλυψης: Το «κβαντικό διαδίκτυο», ένα δίκτυο υπολογιστών που να μπορεί να στείλει κβαντικές πληροφορίες μεταξύ απομακρυσμένων μηχανών.
Στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Delft στην Ολλανδία, μια ομάδα φυσικών έχει κάνει ένα σημαντικό βήμα προς αυτό το δίκτυο υπολογιστών του μέλλοντος, χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται κβαντική τηλεμεταφορά προκειμένου να στέλνει δεδομένα σε τρεις φυσικές τοποθεσίες. Προηγουμένως, αυτό ήταν δυνατό μόνο σε δύο.
Το νέο πείραμα δείχνει ότι οι επιστήμονες μπορούν να επεκτείνουν ένα κβαντικό δίκτυο σε έναν ολοένα και μεγαλύτερο αριθμό τοποθεσιών. «Τώρα κατασκευάζουμε μικρά κβαντικά δίκτυα στο εργαστήριο», ανέφερε ο Ronald Hanson, φυσικός του Delft που επιβλέπει την ομάδα. «Αλλά η ιδέα είναι να φτιάξουμε τελικά ένα κβαντικό Διαδίκτυο».
Η έρευνά τους, που αποκαλύφθηκε την περασμένη εβδομάδα με μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature, καταδεικνύει τη δύναμη ενός φαινομένου που κάποτε ο Albert Einstein θεωρούσε αδύνατο. Η κβαντική τηλεμεταφορά -αυτό που ονόμασε «απόκοσμη δράση σε απόσταση»- μπορεί να μεταφέρει πληροφορίες μεταξύ τοποθεσιών χωρίς να μετακινεί πραγματικά τη φυσική ύλη που τις συγκρατεί.
Αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να αλλάξει βαθιά τον τρόπο με τον οποίο τα δεδομένα ταξιδεύουν από μέρος σε μέρος. Βασίζεται σε περισσότερο από έναν αιώνα έρευνας που περιλαμβάνει την κβαντική μηχανική, ένα πεδίο της φυσικής που διέπει το υποατομικό βασίλειο και συμπεριφέρεται διαφορετικά από οτιδήποτε βιώνουμε στην καθημερινή μας ζωή. Η κβαντική τηλεμεταφορά όχι μόνο μετακινεί δεδομένα μεταξύ κβαντικών υπολογιστών, αλλά το κάνει επίσης με τέτοιο τρόπο που κανείς δεν μπορεί να τα υποκλέψει.
«Αυτό δεν σημαίνει μόνο ότι ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει το πρόβλημά σας, αλλά και ότι δεν γνωρίζει ποιο είναι το πρόβλημα», δήλωσε η Tracy Eleanor Northup, ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Πειραματικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Innsbruck που επίσης εξερευνά την κβαντική τηλεμεταφορά. «Δεν λειτουργεί έτσι σήμερα. Η Google ξέρει τι τρέχετε στους διακομιστές της».
Ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί τον περίεργο τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται ορισμένα αντικείμενα εάν είναι πολύ μικρά (όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα σωματίδιο φωτός) ή πολύ κρύα (όπως ένα μέταλλο που έχει ψυχθεί σχεδόν στο απόλυτο μηδέν ή στους μείον 237 βαθμούς Κελσίου). Σε αυτές τις περιπτώσεις, ένα μεμονωμένο αντικείμενο μπορεί να συμπεριφέρεται σαν δύο ξεχωριστά αντικείμενα ταυτόχρονα.
Οι παραδοσιακοί υπολογιστές εκτελούν υπολογισμούς, επεξεργάζοντας «bits» πληροφοριών, με κάθε bit να έχει είτε το 1 είτε το 0. Αξιοποιώντας την περίεργη συμπεριφορά της κβαντικής μηχανικής, ένα κβαντικό bit ή qubit, μπορεί να αποθηκεύσει έναν συνδυασμό 1 και 0. Αυτό σημαίνει ότι δύο qubits χωρούν τέσσερις τιμές ταυτόχρονα, τρία qubit χωρούν οκτώ, τέσσερα μπορούν να χωρέσουν 16 και ούτω καθεξής. Καθώς ο αριθμός των qubit αυξάνεται, ένας κβαντικός υπολογιστής γίνεται εκθετικά πιο ισχυρός.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτές οι συσκευές θα μπορούσαν μια μέρα να επιταχύνουν τη δημιουργία νέων φαρμάκων, να ενισχύσουν την πρόοδο στην τεχνητή νοημοσύνη και εν συντομία να σπάσουν την κρυπτογράφηση που προστατεύει τους υπολογιστές ζωτικής σημασίας για την εθνική ασφάλεια. Σε όλο τον κόσμο, οι κυβερνήσεις, τα ακαδημαϊκά εργαστήρια, οι νεοφυείς επιχειρήσεις και οι τεχνολογικοί γίγαντες ξοδεύουν δισεκατομμύρια δολάρια για την εξερεύνηση της συγκεκριμένης τεχνολογίας.
Το 2019, η Google ανακοίνωσε ότι η μηχανή της είχε φτάσει σε αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν «κβαντική υπεροχή», κάτι που σήμαινε ότι μπορούσε να εκτελέσει μια πειραματική εργασία που ήταν αδύνατη με τους παραδοσιακούς υπολογιστές. Αλλά οι περισσότεροι ειδικοί πιστεύουν ότι θα περάσουν πολλά ακόμη χρόνια —τουλάχιστον— προτού ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να κάνει πραγματικά κάτι χρήσιμο το οποίο δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί με κάποιο άλλο μηχάνημα.
Μέρος της πρόκλησης είναι ότι όταν ένα qubit σπάσει ή «αποσυντονιστεί», αν θα μπορούμε να διαβάσουμε πληροφορίες από αυτό. Δηλαδή, όταν γίνεται ένα συνηθισμένο bit ικανό να κρατήσει μόνο ένα 0 ή ένα 1 αλλά όχι και τα δύο. Όμως, συνδυάζοντας πολλά qubits μαζί και αναπτύσσοντας τρόπους προστασίας από την αποσυνοχή, οι επιστήμονες ελπίζουν να κατασκευάσουν μηχανές που να είναι ταυτόχρονα ισχυρές και πρακτικές.
Τελικά, στην ιδανική περίπτωση, αυτά θα ενώνονταν σε δίκτυα που μπορούν να στέλνουν πληροφορίες μεταξύ κόμβων, επιτρέποντάς τους να χρησιμοποιούνται από οπουδήποτε, σαν τις υπηρεσίες cloud, όπως δηλαδή η Google και η Amazon κάνουν την επεξεργαστική ισχύ ευρέως προσβάσιμη σήμερα.
Αυτή όμως η εξέλιξη έχει και τα δικά της προβλήματα. Εν μέρει, λόγω της αποσυνοχής, οι κβαντικές πληροφορίες δεν μπορούν απλώς να αντιγραφούν και να σταλούν σε ένα παραδοσιακό δίκτυο. Η κβαντική τηλεμεταφορά παρέχει μια εναλλακτική λύση.
Παρόλο που δεν μπορεί να μετακινήσει αντικείμενα από τόπο σε τόπο, μπορεί να μετακινήσει πληροφορίες εκμεταλλευόμενη μια κβαντική ιδιότητα που ονομάζεται «μπλέξιμο»: Μια αλλαγή στην κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος επηρεάζει στιγμιαία την κατάσταση ενός άλλου, απομακρυσμένου συστήματος.
«Μετά το μπλέξιμο, δεν μπορείτε πλέον να περιγράψετε αυτές τις καταστάσεις μεμονωμένα», είπε ο Δρ. Northup. «Βασικά, θα είναι πλέον ΕΝΑ σύστημα». Αυτά τα μπερδεμένα συστήματα θα μπορούσαν να είναι ηλεκτρόνια, σωματίδια φωτός ή άλλα αντικείμενα. Στην Ολλανδία, ο Δρ Hanson και η ομάδα του χρησιμοποίησαν αυτό που ονομάζεται κέντρο κενών αζώτου, ένα μικροσκοπικό κενό χώρο σε ένα συνθετικό διαμάντι στο οποίο μπορούν να παγιδευτούν ηλεκτρόνια.
Η ομάδα κατασκεύασε τρία από αυτά τα κβαντικά συστήματα, που ονομάστηκαν Alice, Bob και Charlie, και τα συνέδεσε σε μια γραμμή με σειρές οπτικής ίνας. Οι επιστήμονες θα μπορούσαν στη συνέχεια να εμπλέξουν αυτά τα συστήματα στέλνοντας μεμονωμένα φωτόνια -σωματίδια φωτός- μεταξύ τους.
Πρώτα, οι ερευνητές έμπλεξαν δύο ηλεκτρόνια -το ένα της Alice και το άλλο του Bob. Στην πραγματικότητα, δόθηκε στα ηλεκτρόνια η ίδια περιστροφή, και έτσι ενώθηκαν, ή μπλέχτηκαν, σε μια κοινή κβαντική κατάσταση, το καθένα αποθηκεύοντας τις ίδιες πληροφορίες: Έναν συγκεκριμένο συνδυασμό 1 και 0.
Οι ερευνητές θα μπορούσαν στη συνέχεια να μεταφέρουν αυτή την κβαντική κατάσταση σε ένα άλλο qubit, έναν πυρήνα άνθρακα, μέσα στο συνθετικό διαμάντι του Bob. Με αυτόν τον τρόπο απελευθερώθηκε το ηλεκτρόνιο του Bob και οι ερευνητές κατάφεραν στη συνέχεια να το μπερδέψουν με ένα άλλο ηλεκτρόνιο που ανήκε στον Charlie.
Εκτελώντας μια συγκεκριμένη κβαντική πράξη και στα δύο qubit του Bob -το ηλεκτρόνιο και τον πυρήνα του άνθρακα- οι ερευνητές θα μπορούσαν στη συνέχεια να κολλήσουν τις δύο εμπλοκές μεταξύ τους: Η Alice συν ο Bob κολλημένοι στον Bob συν τον Charlie. Το αποτέλεσμα: Η Alice μπλέχτηκε με τον Charlie, κάτι που επέτρεψε την τηλεμεταφορά δεδομένων και στους τρεις κόμβους.
Όταν τα δεδομένα ταξιδεύουν με αυτόν τον τρόπο, χωρίς να διανύουν πραγματικά την απόσταση μεταξύ των κόμβων, δεν μπορούν να χαθούν. «Οι πληροφορίες μπορούν να τροφοδοτηθούν στη μία πλευρά της σύνδεσης και μετά να εμφανιστούν στην άλλη», είπε ο Δρ Hanson.
Οι πληροφορίες επίσης δεν μπορούν να υποκλαπούν. Ένα μελλοντικό κβαντικό Διαδίκτυο, που θα τροφοδοτείται από την κβαντική τηλεμεταφορά, θα μπορούσε να προσφέρει ένα νέο είδος κρυπτογράφησης που είναι θεωρητικά άθραυστο.
Στο νέο πείραμα, οι κόμβοι του δικτύου δεν απείχαν τόσο πολύ μεταξύ τους. Αλλά προηγούμενα πειράματα έδειξαν ότι τα κβαντικά συστήματα μπορούν να εμπλακούν σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Η ελπίδα είναι ότι, μετά από αρκετά χρόνια έρευνας, η κβαντική τηλεμεταφορά θα είναι βιώσιμη και θα αφορά μεγάλες αποστάσεις. «Τώρα προσπαθούμε να το κάνουμε αυτό έξω από το εργαστήριο», είπε ο Δρ Hanson.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου