Ερευνητές δημιούργησαν το πρώτο δίκτυο κβαντικών υπολογιστών μεταδίδοντας qubits ανάμεσα σε δύο εργαστήρια στη Γερμανία
Η υπόσχεση των κβαντικών υπολογιστών έρχεται ένα βήμα πιο κοντά στην υλοποίηση με την παρουσίαση του πρώτου πειραματικού κβαντικού δικτύου, μέσω του οποίου συνδέθηκαν δύο εργαστήρια στη Γερμανία. Αρκετά ερευνητικά ιδρύματα σε όλο τον κόσμο έχουν παρουσιάσει υποτυπώδεις κβαντικούς υπολογιστές, ωστόσο ένα βασικό πρόβλημα που δεν έχει ακόμα λυθεί είναι η σύνδεση αυτών των συστημάτων σε δίκτυα. Το πρώτο κβαντικό δίκτυο επιτρέπει τώρα τη μετάδοση πληροφοριών υπό τη μορφή μεμονωμένων φωτονίων που ταξιδεύουν μέσα σε μια οπτική ίνα. Η πληροφορία αποθηκεύεται στη συνέχεια υπό τη μορφή μεμονωμένων ατόμων. Η εντυπωσιακή μελέτη δημοσιεύεται την Πέμπτη στο περιοδικό Nature...
Και μηδέν και ένα
Στους σημερινούς υπολογιστές, η ελάχιστη ποσότητα πληροφορίας είναι το λεγόμενο bit, το οποίο μπορεί να πάρει είτε την τιμή «0» είτε την τιμή «1».
Στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής, όμως, τα σωματίδια μπορούν να βρίσκονται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Και αυτό σημαίνει ότι ένα «κβαντικό bit», ή qubit, μπορεί να παίρνει τις τιμές «0», «1», ή «0 και 1» ταυτόχρονα.
Η ιδιότητα αυτή θα επέτρεπε στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα και παράλληλα -θα μπορούσαν για παράδειγμα να «σπάνε» κρυπτογραφημένα δεδομένα σχεδόν ακαριαία, εξετάζοντας ταυτόχρονα όλες τις πιθανές λύσεις στο πρόβλημα.
Μια άλλη εφαρμογή των κβαντικών συστημάτων θα ήταν η μετάδοση κρυπτογραφημένων δεδομένων τα οποία θα ήταν αδύνατο να υποκλαπούν από χάκερ.
Κβαντική δικτύωση
Οι εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών θα ήταν όμως περιορισμένες χωρίς τη δυνατότητα διασύνδεσής τους.
Μια υποψήφια λύση προτείνουν τώρα ερευνητές του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Max Planck στο Γκάρχινγκ της Γερμανίας. Το σύστημά τους αποτελείται από δύο κόμβους που μπορούν να μεταδίδουν, να λαμβάνουν και να αποθηκεύουν qubit.
Στο πρώτο στάδιο, η πληροφορία αποθηκεύεται στον κόμβο κωδικοποιημένη στην κβαντική κατάσταση ενός ατόμου ρουβιδίου. Το άτομο αυτό μπορεί στη συνέχεια να μεταδώσει την πληροφορία εκπέμποντας ένα φωτόνιο, το οποίο μεταδίδεται στον δεύτερο κόμβο του δικτύου μέσω μιας οπτικής ίνας μήκους 60 μέτρων. Συγκεκριμένα, η κβαντική κατάσταση του ατόμου κωδικοποιείται στην κατάσταση πόλωσης του φωτονίου (πόλωση είναι μια ιδιότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων του φωτός που περιγράφει το επίπεδο πάνω στο οποίο κινούνται).
Όταν αυτό το φωτόνιο φτάσει στην άλλη άκρη του δικτύου, απορροφάται από ένα ίδιο άτομο ρουβιδίου, του οποίου η κβαντική κατάσταση αλλάζει και γίνεται ίδια με την κβαντική κατάσταση του ατόμου στον πρώτο κόμβο.
Η διαδικασία ισοδυναμεί τελικά με τη μετάδοση ενός qubit πληροφορίας από τον ένα κόμβο στον άλλο.
Η ύλη συναντά το φως
Το πρωτότυπο του πρώτου κβαντικού δικτύου δείχνει να λύνει ένα βασικό πρόβλημα των κβαντικών συστημάτων.
Ορισμένα από αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν άτομα, τα οποία παραμένουν ακίνητα και είναι έτσι ιδανικά για την αποθήκευση της πληροφορίας, ενώ άλλα συστήματα χρησιμοποιούν φωτόνια, τα οποία κινούνται ασταμάτητα και είναι έτσι ιδανικά για τη μετάδοση της πληροφορίας.
Το πρόβλημα είναι ότι είναι δύσκολο να χρησιμοποιήσει κανείς άτομα και φωτόνια ταυτόχρονα, αφού αυτά τα δύο είδη σωματιδίων σπάνια αλληλεπιδρούν.
Για να ξεπεράσουν το εμπόδιο, οι Γερμανοί ερευνητές τοποθέτησαν τα άτομα ρουβιδίου μέσα σε κοιλότητες με ανακλαστικά τοιχώματα. Το φωτόνιο που εισέρχεται στην κοιλότητα αναπηδά στα τοιχώματα χιλιάδες φορές, μέχρι που τελικά τυχαίνει να αλληλεπιδράσει με το άτομο ρουβιδίου και να του μεταδώσει την πληροφορία που μεταφέρει.
Η λύση είναι ευφυής, αυτό όμως δεν σημαίνει ότι είναι έτοιμη για πρακτική εφαρμογή: τα περισσότερα από τα φωτόνια που μεταδίδονται στο δίκτυο τελικά χάνονται στην πορεία, και η μετάδοση της πληροφορίας πετυχαίνει μόνο στο 0,2% των περιπτώσεων.
Οι ερευνητές, πάντως, είναι αισιόδοξοι ότι θα αντιμετωπίσουν σταδιακά αυτούς τους περιορισμούς και θα βελτιώσουν το δίκτυο αρκετά ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος.
Και μηδέν και ένα
Στους σημερινούς υπολογιστές, η ελάχιστη ποσότητα πληροφορίας είναι το λεγόμενο bit, το οποίο μπορεί να πάρει είτε την τιμή «0» είτε την τιμή «1».
Στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής, όμως, τα σωματίδια μπορούν να βρίσκονται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Και αυτό σημαίνει ότι ένα «κβαντικό bit», ή qubit, μπορεί να παίρνει τις τιμές «0», «1», ή «0 και 1» ταυτόχρονα.
Η ιδιότητα αυτή θα επέτρεπε στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα και παράλληλα -θα μπορούσαν για παράδειγμα να «σπάνε» κρυπτογραφημένα δεδομένα σχεδόν ακαριαία, εξετάζοντας ταυτόχρονα όλες τις πιθανές λύσεις στο πρόβλημα.
Μια άλλη εφαρμογή των κβαντικών συστημάτων θα ήταν η μετάδοση κρυπτογραφημένων δεδομένων τα οποία θα ήταν αδύνατο να υποκλαπούν από χάκερ.
Κβαντική δικτύωση
Οι εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών θα ήταν όμως περιορισμένες χωρίς τη δυνατότητα διασύνδεσής τους.
Μια υποψήφια λύση προτείνουν τώρα ερευνητές του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Max Planck στο Γκάρχινγκ της Γερμανίας. Το σύστημά τους αποτελείται από δύο κόμβους που μπορούν να μεταδίδουν, να λαμβάνουν και να αποθηκεύουν qubit.
Στο πρώτο στάδιο, η πληροφορία αποθηκεύεται στον κόμβο κωδικοποιημένη στην κβαντική κατάσταση ενός ατόμου ρουβιδίου. Το άτομο αυτό μπορεί στη συνέχεια να μεταδώσει την πληροφορία εκπέμποντας ένα φωτόνιο, το οποίο μεταδίδεται στον δεύτερο κόμβο του δικτύου μέσω μιας οπτικής ίνας μήκους 60 μέτρων. Συγκεκριμένα, η κβαντική κατάσταση του ατόμου κωδικοποιείται στην κατάσταση πόλωσης του φωτονίου (πόλωση είναι μια ιδιότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων του φωτός που περιγράφει το επίπεδο πάνω στο οποίο κινούνται).
Όταν αυτό το φωτόνιο φτάσει στην άλλη άκρη του δικτύου, απορροφάται από ένα ίδιο άτομο ρουβιδίου, του οποίου η κβαντική κατάσταση αλλάζει και γίνεται ίδια με την κβαντική κατάσταση του ατόμου στον πρώτο κόμβο.
Η διαδικασία ισοδυναμεί τελικά με τη μετάδοση ενός qubit πληροφορίας από τον ένα κόμβο στον άλλο.
Η ύλη συναντά το φως
Το πρωτότυπο του πρώτου κβαντικού δικτύου δείχνει να λύνει ένα βασικό πρόβλημα των κβαντικών συστημάτων.
Ορισμένα από αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν άτομα, τα οποία παραμένουν ακίνητα και είναι έτσι ιδανικά για την αποθήκευση της πληροφορίας, ενώ άλλα συστήματα χρησιμοποιούν φωτόνια, τα οποία κινούνται ασταμάτητα και είναι έτσι ιδανικά για τη μετάδοση της πληροφορίας.
Το πρόβλημα είναι ότι είναι δύσκολο να χρησιμοποιήσει κανείς άτομα και φωτόνια ταυτόχρονα, αφού αυτά τα δύο είδη σωματιδίων σπάνια αλληλεπιδρούν.
Για να ξεπεράσουν το εμπόδιο, οι Γερμανοί ερευνητές τοποθέτησαν τα άτομα ρουβιδίου μέσα σε κοιλότητες με ανακλαστικά τοιχώματα. Το φωτόνιο που εισέρχεται στην κοιλότητα αναπηδά στα τοιχώματα χιλιάδες φορές, μέχρι που τελικά τυχαίνει να αλληλεπιδράσει με το άτομο ρουβιδίου και να του μεταδώσει την πληροφορία που μεταφέρει.
Η λύση είναι ευφυής, αυτό όμως δεν σημαίνει ότι είναι έτοιμη για πρακτική εφαρμογή: τα περισσότερα από τα φωτόνια που μεταδίδονται στο δίκτυο τελικά χάνονται στην πορεία, και η μετάδοση της πληροφορίας πετυχαίνει μόνο στο 0,2% των περιπτώσεων.
Οι ερευνητές, πάντως, είναι αισιόδοξοι ότι θα αντιμετωπίσουν σταδιακά αυτούς τους περιορισμούς και θα βελτιώσουν το δίκτυο αρκετά ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος.
ΒΗΜΑ SCIENCE
