Κβαντική φυσική: Καταγραφή εμπλοκής κβαντικών αναμνήσεων

ΡΟΗ ΤΩΝ ΑΡΘΡΩΝ


Κβαντική φυσική: Καταγραφή εμπλοκής κβαντικών αναμνήσεων… Οι ερευνητές έχουν μπλέξει δύο κβαντικές μνήμες μέσω μιας σύνδεσης οπτικών ινών 33 χιλιομέτρων – ένα ρεκόρ και ένα σημαντικό βήμα προς το κβαντικό διαδίκτυο.

Ένα δίκτυο στο οποίο η μετάδοση δεδομένων είναι απολύτως ασφαλής από επιθέσεις χάκερ; Εάν οι φυσικοί έχουν τον τρόπο τους, αυτό θα πρέπει τελικά να γίνει πραγματικότητα με τη βοήθεια του κβαντομηχανικού φαινομένου της εμπλοκής. Για τα μπερδεμένα σωματίδια, αν μετρήσετε τις ιδιότητες κατάστασης ενός σωματιδίου, αυτόματα γνωρίζετε αυτές του άλλου. Δεν έχει σημασία πόσο μακριά είναι οι μπλεγμένοι σύντροφοι. Ιδανική προϋπόθεση για την ασφαλή μετάδοση πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις.

Μια ομάδα με επικεφαλής τους φυσικούς Καθ. Harald Weinfurter από το LMU και τον καθηγητή Christoph Becher από το Πανεπιστήμιο του Σάαρλαντ έχει τώρα συνδέσει δύο ατομικές κβαντικές μνήμες μέσω μιας σύνδεσης οπτικών ινών 33 χιλιομέτρων. Αυτή είναι η μεγαλύτερη απόσταση μέχρι στιγμής στην οποία έχει επιτευχθεί εμπλοκή χρησιμοποιώντας τηλεπικοινωνιακό καλώδιο. Η κβαντομηχανική σύνδεση γίνεται μέσω φωτονίων, τα οποία εκπέμπουν οι δύο κβαντικές μνήμες. 

Ο καθοριστικός παράγοντας για την επιτυχία ήταν ότι οι ερευνητές μετατόπισαν το μήκος κύματος των σωματιδίων φωτός που εκπέμπονται σε μια τιμή που χρησιμοποιείται επίσης για τις συμβατικές τηλεπικοινωνίες. «Με αυτόν τον τρόπο, μπορέσαμε να μειώσουμε σημαντικά την απώλεια φωτονίων και έτσι να δημιουργήσουμε μπερδεμένες κβαντικές μνήμες ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις οπτικών ινών», λέει ο Weinfurter.

Καλώδιο οπτικών ινών κάτω από την Geschwister-Scholl-Platz

Γενικά, τα κβαντικά δίκτυα αποτελούνται από κόμβους μεμονωμένων κβαντικών μνημών – όπως άτομα, ιόντα ή ελαττώματα σε κρυσταλλικά πλέγματα. Αυτοί οι κόμβοι μπορούν να λαμβάνουν, να αποθηκεύουν και να στέλνουν κβαντικές καταστάσεις. Η διαμεσολάβηση μεταξύ των κόμβων μπορεί να γίνει με τη βοήθεια σωματιδίων φωτός, τα οποία ανταλλάσσονται είτε μέσω του αέρα είτε με στοχευμένο τρόπο μέσω μιας σύνδεσης οπτικών ινών. 

Για το πείραμά τους, οι ερευνητές χρησιμοποιούν ένα σύστημα δύο οπτικά παγιδευμένων ατόμων ρουβιδίου σε δύο εργαστήρια στην πανεπιστημιούπολη LMU. Οι δύο τοποθεσίες συνδέονται με ένα καλώδιο οπτικών ινών μήκους 700 μέτρων που περνά κάτω από την Geschwister-Scholl Platz μπροστά από το κεντρικό κτήριο του πανεπιστημίου. Με την προσθήκη επιπλέον ινών σε καρούλια, μπορούν να πραγματοποιηθούν συνδέσεις έως και 33 χιλιομέτρων.

Ένας παλμός λέιζερ διεγείρει τα άτομα, μετά από την οποία πέφτουν αυθόρμητα πίσω στη βασική τους κατάσταση, εκπέμποντας το καθένα ένα φωτόνιο. Λόγω της διατήρησης της γωνιακής ορμής, το σπιν του ατόμου μπλέκεται με την πόλωση του εκπεμπόμενου φωτονίου του. Τέλος, αυτά τα σωματίδια φωτός μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κβαντομηχανική σύζευξη των δύο ατόμων. Για να γίνει αυτό, οι επιστήμονες τα έστειλαν μέσω του καλωδίου οπτικών ινών σε έναν σταθμό λήψης, όπου μια κοινή μέτρηση των φωτονίων σηματοδοτεί μια εμπλοκή των κβαντικών μνημών. Το πείραμα είναι ένα σημαντικό βήμα στο δρόμο προς το κβαντικό Διαδίκτυο που βασίζεται στις υπάρχουσες υποδομές οπτικών ινών.

Ωστόσο, οι περισσότερες κβαντικές μνήμες εκπέμπουν φως με μήκη κύματος στο ορατό ή κοντά στο υπέρυθρο εύρος. «Στις ίνες γυαλιού, αυτά τα φωτόνια ταξιδεύουν μόνο λίγα χιλιόμετρα πριν χαθούν», εξηγεί ο Christoph Becher. Για το λόγο αυτό, ο φυσικός από το Saarbrücken και η ομάδα του έχουν βελτιστοποιήσει το μήκος κύματος των φωτονίων για το ταξίδι τους στο καλώδιο. Με δύο λεγόμενους μετατροπείς κβαντικής συχνότητας, αύξησαν το αρχικό μήκος κύματος των 780 νανόμετρων σε ένα μήκος κύματος 1517 νανόμετρων. “Αυτό είναι κοντά στο λεγόμενο μήκος κύματος τηλεπικοινωνιών περίπου 1550 νανόμετρα”, λέει ο Becher. Σε αυτό το εύρος συχνοτήτων, η μετάδοση φωτός σε ίνες γυαλιού έχει τις χαμηλότερες απώλειες. Η ομάδα διαχειρίστηκε τη μετατροπή με πρωτοφανή αποτελεσματικότητα 57 τοις εκατό.

«Το ιδιαίτερο με το πείραμά μας είναι ότι μπλέκουμε πραγματικά δύο ακίνητα σωματίδια, δηλαδή άτομα που λειτουργούν ως κβαντικές μνήμες», λέει ο Tim van Leent , ο πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης. «Αυτό είναι πολύ πιο δύσκολο από την εμπλοκή φωτονίων, αλλά ανοίγει πολλές περισσότερες πιθανές εφαρμογές». Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το αναπτυγμένο σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή κβαντικών δικτύων μεγάλης κλίμακας και για την εφαρμογή ασφαλών πρωτοκόλλων κβαντικής επικοινωνίας. «Το πείραμα είναι ένα σημαντικό βήμα στο δρόμο προς το κβαντικό Διαδίκτυο που βασίζεται στις υπάρχουσες υποδομές οπτικών ινών», λέει ο Harald Weinfurter.

Οι πειραματικοί φυσικοί Immanuel Bloch και Harald Weinfurter μιλούν για τη δυσκολία κατασκευής ενός κβαντικού υπολογιστή, την επικείμενη κβαντική επανάσταση και εφαρμογές όπως τα κλειδιά ή τα διαμάντια που μετρούν τα μαγνητικά πεδία των μορίων.

Ερώτηση… Όλοι μιλούν για κβαντικούς υπολογιστές και μια επανάσταση. Αισθάνεστε ένα πνεύμα αισιοδοξίας όπως έκαναν οι πρωτοπόροι της μηχανογράφησης όταν συγκόλλησαν τους πρώτους υπολογιστές σε σαλόνια και γκαράζ;

loch: Λοιπόν, οι πρωτοπόροι τότε ήταν στην πραγματικότητα ένα βήμα μπροστά. Είχαν ήδη τα μεμονωμένα εξαρτήματα, τρανζίστορ και τσιπ και μπορούσαν να τα χρησιμοποιήσουν για την κατασκευή υπολογιστών. Είμαστε ένα βήμα μπροστά, εργαζόμαστε στα πρώτα μικρά ολοκληρωμένα κυκλώματα, αν θέλετε.

τόσο σεμνό; Πόσο μακριά είναι τελικά η εξέλιξη;

Weinfurter: Υπάρχουν πρώτοι υπολογιστές με 60 έως 70 κβαντικά bit, εν συντομία qubits. Αυτές είναι οι στοιχειώδεις υπολογιστικές μονάδες ενός κβαντικού υπολογιστή, ο οποίος βασίζεται σε μια νέα μορφή επεξεργασίας πληροφοριών. Σε αντίθεση με ένα τρανζίστορ, ένα qubit μπορεί να αποθηκεύσει τις καταστάσεις 0 και 1 ταυτόχρονα. Τότε οι αριθμητικές πράξεις δεν εκτελούνται η μία μετά την άλλη, αλλά παράλληλα.

Τι μπορείτε να κάνετε με αυτό;

Weinfurter: Όσον αφορά τις συμβατικές εφαρμογές, τίποτα που δεν θα μπορούσατε να κάνετε με ένα κανονικό notebook. Ωστόσο, η λεγόμενη υπέρθεση των qubits, δηλαδή καταστάσεις υπέρθεσης, δημιουργεί έναν χώρο υψηλών διαστάσεων. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να προσομοιωθούν ειδικά πράγματα που δεν θα μπορούσαν πλέον να αναπαρασταθούν ούτε με υπερυπολογιστές, για παράδειγμα κβαντικά συστήματα με περισσότερα από 50 ή 60 άτομα σε ένα στερεό.

Bloch: Βρισκόμαστε σε ένα σημείο καμπής για τους κβαντικούς προσομοιωτές καθώς και για τους κβαντικούς υπολογιστές – προσέξτε για ειδικές ερωτήσεις. Ένας γενικός κβαντικός υπολογιστής που διαθέτει επίσης αυτόματη διόρθωση σφαλμάτων έναντι παρεμβολών είναι ακόμη πολύ μακριά. Για να το συνειδητοποιήσουμε αυτό, θα χρειαζόμασταν εκατομμύρια qubits. Ωστόσο, θα είμαστε σε θέση να χρησιμοποιήσουμε τα τρέχοντα συστήματα των 60 qubit για μερικές ενδιαφέρουσες επιστημονικές εφαρμογές, όπως η μελέτη φαινομένων μαγνητισμού, για να αναφέρουμε μόνο ένα παράδειγμα.

“Για να κλιμακώσω αυτό το σύστημα σε εκατομμύρια qubits, θα χρειαζόμουν ένα τσιπ στο μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου όπως έχει”. PROF. IMMANUEL BLOCH

Πώς να φανταστώ έναν κβαντικό υπολογιστή με 60 qubits; Είναι αυτό ένα γήπεδο ποδοσφαίρου γεμάτο φακούς, λέιζερ και μονάδες ψύξης;

Bloch: Ο σχεδιασμός εξαρτάται από την πλατφόρμα που χρησιμοποιείτε. Αυτήν τη στιγμή υπάρχουν πολλές ενδιαφέρουσες πλατφόρμες, για παράδειγμα μία από άτομα ή παγίδες ιόντων, όπως αυτές που χρησιμοποιούμε στην καρέκλα μου, και ένα σύστημα με υπεραγώγιμα, τεχνητά παραγόμενα qubits. Υπάρχει μια σχετικά μεγάλη ποσότητα οπτικών που περιβάλλει την πλατφόρμα μας. Αυτό δεν συμβαίνει με το υπεραγώγιμο σύστημα, όπου η ψύξη χρειάζεται πολύ χώρο, ειδικά αν θέλετε να την κλιμακώσετε σε εκατομμύρια qubits. Η Google και η IBM βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε υπεραγώγιμα συστήματα.

Μπορούν να μικροποιηθούν και οι δύο πλατφόρμες;

Bloch: Ναι. Αυτό μπορεί να είναι λίγο πιο εύκολο με το υπεραγώγιμο τσιπ επειδή πρόκειται να συνδεθεί περισσότερο με ηλεκτρονικά που γνωρίζουμε. Αλλά το πρόβλημα είναι επίσης η κλιμάκωση αυτού του συστήματος σε εκατομμύρια υπεραγώγιμα qubits, τότε θα χρειαζόμουν ένα τσιπ στο μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου όπως είναι τώρα.

Weinfurter: Και θα χρειαστείτε έναν κρυοστάτη μεγέθους γηπέδου ποδοσφαίρου για να ψύξετε την υπεραγωγιμότητα. Το ζήτημα της επεκτασιμότητας είναι κεντρικό. Δεν είναι ακόμη σαφές ποιος θα κερδίσει τον αγώνα.

Bloch: Κάθε πλατφόρμα έχει τα δικά της δυνατά σημεία και προβλήματα. Πάρτε για παράδειγμα την ποιότητα των qubits. Πρώτα πρέπει να φτιάξω υπεραγώγιμα qubits λίγο-λίγο, δεν υπάρχουν στη φύση, πρέπει να κάνω κάθε qubit ακριβώς το ίδιο. Οποιαδήποτε ανακρίβεια στην παραγωγή αντικατοπτρίζεται αμέσως στην ανακρίβεια του συνολικού συστήματος. Αυτό είναι δύσκολο να ελεγχθεί. Η φύση μας δίνει ιόντα και άτομα, είναι όλα τα ίδια εγγενώς, οπότε δεν χρειάζεται πλέον να ανησυχώ για αυτή την πτυχή. Έχω άλλες επιπλοκές για αυτό.

Εσείς ο ίδιος εργάζεστε με άτομα και ιόντα. Αισθάνεστε ήδη τον ανταγωνισμό μεταξύ των προγραμματιστών των διαφορετικών πλατφορμών;

Bloch: Ναι, φυσικά, στα συνέδρια πρέπει να δείξουμε τι μπορεί πραγματικά να υπολογίσει και να πετύχει η πλατφόρμα μας σε επιστημονικό επίπεδο. Μπορείτε να ξεφύγετε γρήγορα από κάθε διαφημιστική εκστρατεία μάρκετινγκ. Η απόκλιση μεταξύ της κατακραυγής της αγοράς και αυτού που πραγματικά έχει επιτευχθεί είναι συχνά τεράστια. Δεν θέλω όμως να υποβαθμίσω τις επιτυχίες, θεωρώ απίστευτα εντυπωσιακή τη μέχρι τώρα πρόοδο.

Weinfurter: Δεν πρέπει να ξεχνάτε: πριν από 40 χρόνια, για παράδειγμα, στην παραγωγή τηλεοράσεων, κάθε τρανζίστορ συγκολλήθηκε ξεχωριστά. Δεν υπήρχαν μικροεπεξεργαστές εκεί μέσα. Τα συστήματα αναπτύχθηκαν γρήγορα μόνο όταν μια τεχνολογία ήταν σε θέση να εδραιωθεί. Δεν έχουμε φτάσει ακόμα τόσο μακριά με τους κβαντικούς υπολογιστές. Ωστόσο, η διαφημιστική εκστρατεία είναι υψηλή αυτή τη στιγμή – μια περίεργη κατάσταση.

Πώς τοποθετείται το νέο Cluster of Excellence του Μονάχου σε αυτόν τον αγώνα; Το Κέντρο Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας του Μονάχου (MCQST) θέλει να είναι πρωτοπόρος στη δεύτερη κβαντική επανάσταση. Τουλάχιστον αυτό λέει η εφαρμογή.

Bloch: Ως το μοναδικό κέντρο στη Γερμανία, δραστηριοποιούμαστε σε όλους τους τομείς που αποτελούν τους βασικούς πυλώνες των κβαντικών τεχνολογιών, είτε στην κβαντική προσομοίωση, στους υπολογιστές, στην επικοινωνία ή στη μετρολογία και στην τεχνολογία αισθητήρων. Φυσικά, προερχόμαστε κυρίως από τη βασική έρευνα. Αλλά το έργο του Harald Weinfurter είναι ένα καλό παράδειγμα του πώς η ανάπτυξη της κβαντικής επικοινωνίας οδηγεί ήδη σε συγκεκριμένη εφαρμογή τεχνολογίας. 

Διαφορετικά, θέλουμε να είμαστε η αιχμή του δόρατος, θέλουμε να εξερευνήσουμε τα όρια – σε θεωρητικές ερωτήσεις, στην έρευνα για το υλικό καθώς και το λογισμικό και τους αλγόριθμους. Έχουμε ειδικούς εδώ στο Μόναχο που είναι από τους καλύτερους στον κόσμο. Όσον αφορά την εμπορευματοποίηση, εταιρείες όπως η Google ή η IBM έχουν μεγάλα πλεονεκτήματα, διαθέτουν τους κατάλληλους πόρους. Αυτό μας λείπει λίγο στην Ευρώπη.

“Τώρα έχουμε μια πρώτη ιδέα για το πώς δύο κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να μιλήσουν μεταξύ τους”. ΚΑΘ. HARALD WEINFURTER

Διαβάστε τη συνέχεια του άρθρου εδώ, κάνοντας μετάφραση google…

Διαβάστε: Η Κατεύθυνση Της Ιστορίας Δεν Μπορεί Να Σταματήσει…

ΣΠΑΜΕ ΤΟ ΜΑΤΡΙΞΕΝΑ ΒΙΒΛΙΟ ΠΟΥ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΜΠΕΙ ΣΕ ΚΑΘΕ ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΣΠΙΤΙ. Ένα εγχειρίδιο αφύπνισης… Εάν ενδιαφέρεσαι για την απόκτηση του, επικοινώνησε μαζί μου μέσω του mail nikolaosgeor@gmail.com

Advertisement
Tagged

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.

Αυτός ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για να μειώσει τα ανεπιθύμητα σχόλια. Μάθετε πώς υφίστανται επεξεργασία τα δεδομένα των σχολίων σας.