Νέα μέθοδος επιτρέπει την κατανομή ενός αλγορίθμου σε πολλούς κβαντικούς επεξεργαστές
Η υλοποίηση σύνθετων αλγορίθμων σε κβαντικούς υπολογιστές θα απαιτήσει, στο μέλλον, την πρόσβαση σε δεκάδες χιλιάδες κβαντικά δυαδικά ψηφία (qubits). Ωστόσο, για τις περισσότερες τεχνολογίες που αναπτύσσονται σήμερα, αυτό αποτελεί μεγάλη πρόκληση, καθώς είναι εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστούν συστήματα ικανά να διαχειριστούν τόσα πολλά qubits.
Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, ερευνητές εξετάζουν τρόπους σύνδεσης διαφορετικών επεξεργαστών ώστε να λειτουργούν ως μία ενιαία υπολογιστική μονάδα. Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας, ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης παρουσίασαν στην επιστημονική επιθεώρηση Nature μία τεχνική κβαντικής τηλεμεταφοράς, μέσω της οποίας δύο κβαντικές συσκευές που βρίσκονταν δύο μέτρα μακριά μεταξύ τους λειτούργησαν ως ένας ενιαίος κβαντικός υπολογιστής. Αυτή η τεχνική επέτρεψε την εκτέλεση απλών αλγορίθμων που απαιτούσαν επεξεργασία και από τις δύο πλευρές.
Τι είναι η κβαντική τηλεμεταφορά;
Σε αντίθεση με την τηλεμεταφορά που έχουμε δει σε έργα επιστημονικής φαντασίας, όπως το Star Trek, η κβαντική τηλεμεταφορά δεν επιτρέπει τη φυσική μεταφορά ενός αντικειμένου από το ένα σημείο στο άλλο. Αντίθετα, προϋποθέτει την ύπαρξη κβαντικά εμπλεκόμενων σωματιδίων τόσο στην πηγή όσο και στον προορισμό. Μόλις επιτευχθεί αυτή η εμπλοκή, μια σειρά ενεργειών αναγκάζει το αποδέκτη να υιοθετήσει την κβαντική κατάσταση της πηγής.
Η διαδικασία αυτή απαιτεί τη μέτρηση της αρχικής κβαντικής κατάστασης, η οποία καταστρέφεται στο σημείο προέλευσης καθώς αναπαράγεται στον αποδέκτη. Αυτό είναι κρίσιμο, καθώς οι νόμοι της κβαντομηχανικής απαγορεύουν την απλή αντιγραφή μιας κβαντικής κατάστασης.
Υπολογισμοί μέσω τηλεμεταφοράς
Η κβαντική τηλεμεταφορά δεν αφορά μόνο τη μεταφορά πληροφοριών μεταξύ διαφορετικών κβαντικών τσιπ. Οι διαδικασίες που απαιτούνται για την εκτέλεση της τηλεμεταφοράς περιλαμβάνουν επίσης αλγοριθμικές λειτουργίες, γνωστές ως “κβαντικές πύλες” (quantum gates). Με τον κατάλληλο συνδυασμό αυτών των λειτουργιών, είναι δυνατόν να εκτελεστεί κάθε δυνατός κβαντικός αλγόριθμος, δημιουργώντας έναν καθολικό κβαντικό υπολογιστή.
Μολονότι η χρήση τηλεμεταφοράς για την εκτέλεση κβαντικών υπολογισμών απαιτεί σημαντική προσπάθεια, προσφέρει ένα πλεονέκτημα: η διεπαφή μεταξύ του κλασικού και του κβαντικού κόσμου εισάγει σφάλματα, ενώ η τηλεμεταφορά πραγματοποιείται χωρίς απώλειες, διατηρώντας τα σφάλματα στο ίδιο επίπεδο με μια τοπική υπολογιστική λειτουργία.
Πειραματική εφαρμογή
Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης χρησιμοποίησαν ένα απλοποιημένο πειραματικό σύστημα. Σε κάθε πλευρά του δικτύου υπήρχε μία συσκευή που παγίδευε δύο ιόντα: ένα στρόντιο και ένα ασβέστιο. Τα δύο άτομα μπορούσαν να εμπλακούν κβαντικά, λειτουργώντας ως μία μονάδα. Το ιόν ασβεστίου χρησιμοποιήθηκε για την αποθήκευση και επεξεργασία πληροφοριών, ενώ το ιόν στρόντιου εξυπηρέτησε ως συνδετικός κρίκος του δικτύου.
Ένα οπτικό καλώδιο επέτρεπε τη μετάδοση φωτονίων που εμπλέκονταν μεταξύ των δύο συσκευών, καθιστώντας όλο το σύστημα λειτουργικά ενιαίο. Το σημαντικό στοιχείο της διαδικασίας ήταν ότι σε περίπτωση αποτυχίας της εμπλοκής, το σύστημα παρέμενε ανέπαφο, επιτρέποντας στους ερευνητές να δοκιμάζουν επανειλημμένα έως ότου επιτευχθεί επιτυχής εμπλοκή.
Οι ερευνητές κατάφεραν να τηλεμεταφέρουν μια πύλη Controlled-Z, η οποία αποτελεί τη βάση για κάθε άλλη κβαντική πύλη δύο qubits. Με τη χρήση αυτής της πύλης, εκτέλεσαν αλγοριθμικές λειτουργίες με ακρίβεια περίπου 70%. Τα σφάλματα προήλθαν κυρίως από τις τοπικές λειτουργίες και όχι από την τηλεμεταφορά. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η χρήση εμπορικού εξοπλισμού με χαμηλότερο ποσοστό σφαλμάτων θα βελτιώσει δραστικά την απόδοση.
Εφαρμογές και προοπτικές
Η επιτυχία της κβαντικής τηλεμεταφοράς ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία δικτύων κβαντικών υπολογιστών, επιτρέποντας την επικοινωνία και τη συνεργασία μεταξύ απομακρυσμένων μονάδων. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας, ικανών να εκτελούν πολύπλοκους υπολογισμούς που σήμερα θεωρούνται ανέφικτοι.
Επιπλέον, οι ερευνητές εκτέλεσαν μία παραλλαγή του αλγορίθμου Grover, ο οποίος μπορεί να εντοπίσει ένα στοιχείο σε μία μη ταξινομημένη λίστα με μία μόνο αναζήτηση. Αν και το σύστημα διέθετε μόνο δύο qubits (άρα ο μέγιστος αριθμός στοιχείων στη λίστα ήταν τέσσερα), η επιτυχία του πειράματος αποδεικνύει τη δυνατότητα κλιμάκωσης της μεθόδου στο μέλλον.
Η κβαντική τηλεμεταφορά αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για τη βελτίωση των κβαντικών υπολογιστικών συστημάτων. Αν και η σημερινή τεχνολογία παρουσιάζει υψηλά ποσοστά σφαλμάτων, οι συνεχείς εξελίξεις στη σχεδίαση του υλικού ενδέχεται να οδηγήσουν σε σημαντική μείωση των σφαλμάτων, όπως έχει συμβεί σε προηγούμενες γενιές κβαντικών συστημάτων.
