Επανάσταση στην Κβαντική Υπολογιστική: Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης Ενώνουν Κβαντικούς Υπολογιστές με Τηλεμεταφορά

Μια σημαντική πρόοδος στην κβαντική υπολογιστική σημειώθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, οι οποίοι κατάφεραν να ενώσουν δύο ξεχωριστά κβαντικά συστήματα μέσω κβαντικής τηλεμεταφοράς. Τα συστήματα, που βρίσκονταν σε απόσταση δύο μέτρων μεταξύ τους, λειτούργησαν ως ένας ενιαίος κβαντικός υπολογιστής, εκτελώντας αλγόριθμους που απαιτούσαν λειτουργίες και από τις δύο πλευρές.

Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Nature (DOI: 10.1038/s41586-024-08404-x), προσφέρει μια νέα προσέγγιση στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που σχετίζονται με την κλιμάκωση του αριθμού των κβαντικών bits (qubits), τα οποία απαιτούνται για πολύπλοκους αλγορίθμους.

Τι είναι η Κβαντική Τηλεμεταφορά;

Σε αντίθεση με την τηλεμεταφορά όπως την ξέρουμε από τη φαντασία (βλ. Star Trek), η κβαντική τηλεμεταφορά βασίζεται στην κβαντική εμπλοκή (entanglement). Αντικείμενα σε διαφορετικές τοποθεσίες εμπλέκονται κβαντικά, και μέσω συγκεκριμένων μετρήσεων και διαδικασιών, η κβαντική κατάσταση ενός αντικειμένου μπορεί να μεταφερθεί σε ένα άλλο, χωρίς φυσική μετακίνηση του ίδιου του αντικειμένου.

Αυτή η διαδικασία καταστρέφει την αρχική κβαντική κατάσταση κατά τη μέτρηση, εξασφαλίζοντας ότι δεν παραβιάζεται η αρχή της απαγόρευσης αντιγραφής κβαντικών καταστάσεων.

Η Πρακτική Εφαρμογή από την Οξφόρδη

Η ομάδα της Οξφόρδης χρησιμοποίησε ένα απλοποιημένο σύστημα αποτελούμενο από δύο παγίδες ιόντων σε απόσταση δύο μέτρων. Σε κάθε παγίδα υπήρχαν δύο ιόντα: ένα στρόντιο και ένα ασβέστιο. Το ιόν ασβεστίου χρησίμευε ως τοπική μνήμη για τους υπολογισμούς, ενώ το ιόν στροντίου χρησίμευε ως ένα από τα δύο άκρα του κβαντικού δικτύου.

Τα δύο συστήματα εμπλέκονταν μέσω οπτικών καλωδίων, χρησιμοποιώντας φωτόνια για να δημιουργήσουν την απαιτούμενη εμπλοκή. Σε περίπτωση αποτυχίας της εμπλοκής, το σύστημα παρέμενε στην αρχική του κατάσταση, επιτρέποντας στους ερευνητές να επαναλάβουν τη διαδικασία μέχρι να επιτευχθεί η σωστή εμπλοκή. Αυτού του είδους η εμπλοκή με σήμα επιτυχίας αναφέρεται ως "heralded" στον τομέα της κβαντικής φυσικής.

Αποτελέσματα και Επιδόσεις

Οι ερευνητές κατάφεραν να εκτελέσουν μια κβαντική πύλη Controlled-Z, η οποία αποτελεί τη βάση για την εκτέλεση οποιασδήποτε άλλης διπλής κβαντικής πύλης. Μετά από πολλαπλές επαναλήψεις αυτών των πυλών, διαπιστώθηκε ότι η τυπική πιστότητα των αποτελεσμάτων ήταν περίπου 70%.

Στη συνέχεια, εκτελέστηκε μια έκδοση του Αλγορίθμου του Grover, ο οποίος επιτρέπει τον εντοπισμό ενός αντικειμένου από μια μεγάλη μη ταξινομημένη λίστα με ένα μόνο ερώτημα. Παρόλο που ο αλγόριθμος εφαρμόστηκε σε μια λίστα τεσσάρων αντικειμένων (λόγω του περιορισμένου αριθμού qubits), το αποτέλεσμα ήταν επιτυχές με παρόμοια πιστότητα.

Προοπτικές και Προκλήσεις

Παρά την επιτυχία της απόδειξης της ιδέας, η πιστότητα του 97% στην κβαντική τηλεμεταφορά εξακολουθεί να θεωρείται υψηλό ποσοστό σφάλματος για πρακτικές εφαρμογές σε μεγαλύτερη κλίμακα. Ωστόσο, οι ερευνητές σημείωσαν ότι τα περισσότερα σφάλματα προέρχονταν από τοπικές λειτουργίες στα άκρα του δικτύου και όχι από τη διαδικασία της τηλεμεταφοράς.

Η μέθοδος αυτή είναι ανεξάρτητη από το είδος του qubit που χρησιμοποιείται, καθώς σχεδόν όλα τα qubits μπορούν να ελεγχθούν μέσω φωτονίων. Αυτό σημαίνει ότι στο μέλλον, θα μπορούσε να επιτευχθεί η σύνδεση πολλαπλών κβαντικών chips σε διαφορετικές αποστάσεις, χρησιμοποιώντας συμβατικό οπτικό υλικό.

Παρόλο που απαιτείται περαιτέρω βελτίωση για τη μείωση των σφαλμάτων, η μελέτη αυτή ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη μεγαλύτερων, κατανεμημένων κβαντικών υπολογιστικών συστημάτων, προσφέροντας μια πολλά υποσχόμενη λύση στο πρόβλημα της κλιμάκωσης των qubits.