Νέα θεωρία μειώνει το όριο ταχύτητας της κβαντικής πληροφορικής

Τα κβαντικά συστήματα πληροφορικής του σήμερα έχουν αρχίσει να δείχνουν ότι οι μελλοντικές εκδόσεις θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τις υψηλές επιδόσεις των κλασικών υπολογιστών στην επίλυση πολλών πολύπλοκων προβλημάτων. Όμως μια νέα έρευνα χαμηλώνει το θεωρητικό όριο ταχύτητας που θα έχουν στο μέλλον οι κβαντικοί υπολογιστές.

Τα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα έχουν τη δυνατότητα να εκτελέσουν υπολογισμούς πολύ πιο γρήγορα από ό, τι οι κλασσικοί υπολογιστές χρησιμοποιώντας κβαντικά bits, ή qubits - έννοιες που βασίζονται κυρίως στο φαινόμενο της υπέρθεσης, η οποία χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση της πληροφορίας ως 1 και 0 ταυτόχρονα. Τέτοια συστήματα θα μπορούσαν να εκμεταλλευτούν ένα ακόμα φυσικό φαινόμενο, γνωστό ως κβαντική διεμπλοκή. Στη διεμπλοκή, ένα ενιαίο qubit μοιράζεται τις πληροφορίες της κατάστασής του με πολλά άλλα qubits μέσω κβαντικών συνδέσεων. Οι τελευταίοι υπολογισμοί από το Αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας έθεσαν νέο όριο ταχύτητας για το πόσο γρήγορα η διεμπλοκή μπορεί να δημιουργηθεί μεταξύ δύο απομακρυσμένων qubits.

"Προηγούμενα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο χρόνος που απαιτείται για να εξαπλωθεί η κβαντική διεμπλοκή σε όλο το σύστημα μπορεί να είναι πολύ μικρός, όταν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των qubits είναι μακράς εμβέλειας, αφήνοντας ανοικτό το ενδεχόμενο για την πολύ γρήγορη μεταφορά πληροφοριών, όταν οι αλληλεπιδράσεις αυτές ισχύουν", λέει ο Michael Foss-Feig, φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Gaithersburg, του Μέριλαντ. "Το αποτέλεσμά μας θέτει ένα αυστηρότερο περιορισμό για το πόσος χρόνος χρειάζεται για τη διανομή πληροφοριών σε ένα σύστημα ενός συγκεκριμένου μεγέθους."

Ο Foss-Feig ήταν βασικός συντάκτης της μελέτης του NIST που εμφανίστηκε στο 13 τεύχος Απριλίου του περιοδικού Physical Review Letters. Ο ίδιος και οι συνάδελφοί του με βάση το έργο τους σχετικά με την έρευνα που περιγράφεται σε δύο προηγούμενες μελέτες, είχε εξετάσει τα θεωρητικά όρια ταχύτητας εξάπλωσης της κβαντικής πληροφορίας. Η πρώτη μελέτη, που δημοσιεύτηκε το 1972, ανακάλυψε ένα πεπερασμένο όριο ταχύτητας για την κβαντική πληροφορία γνωστό έκτοτε ως όριο Lieb-Robinson - σε περιπτώσεις αλληλεπιδράσεων μικρής απόστασης μεταξύ γειτονικών qubits.

Η δεύτερη μελέτη, που δημοσιεύθηκε το 2005, πρότεινε ότι ο χρόνος που απαιτείται για τη μετάδοση της κβαντικής πληροφορίας θα μπορούσε να αυξάνεται μόνο λογαριθμικά, ή κατά ένα ασήμαντο ποσό, ανάλογα με την απόσταση. Με άλλα λόγια, τα αποτελέσματα της δεύτερης μελέτης δείχνουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να αποκτήσουν μια ποιοτικά σημαντική επιτάχυνση με την ενσωμάτωση αλληλεπιδράσεων μεγάλου βεληνεκούς μεταξύ των qubits.

Η μαθηματική απόδειξη από την πρόσφατη έρευνα του NIST, δείχνει ότι ο χρόνος που απαιτείται για την κβαντική πληροφορία να εξαπλωθεί σε όλο το σύστημα αυξάνεται σχεδόν σε αναλογία με το μέγεθος του συστήματος. Τα κβαντικά συστήματα πληροφορικής του σήμερα έχουν ήδη βοηθήσει να επιβεβαιωθεί το όριο ταχύτητας για τις αλληλεπιδράσεις μικρής εμβέλειας, λόγω των πειραμάτων διεμπλοκής κοντινών qubits. Για παράδειγμα, οι ερευνητές που προσέλαβε η Google ελέγχουν συστήματα με κβαντική διεμπλοκή μεταξύ γειτονικών qubits.

"Αν μπορούμε κάποια μέρα να φτιάξουμε κβαντικούς υπολογιστές τόσο εύκολα όσο τους επεξεργαστές πυριτίου, τα θεωρητικά όρια που ερευνούμε μπορεί να μας δώσουν μια ιδέα για το ποιά μπορεί να είναι η ιδανική αρχιτεκτονική κβαντικών υπολογιστών", δήλωσε ο Foss-Feig. "Αλλά αυτό δεν θέτει σοβαρούς περιορισμούς σε οτιδήποτε κάνουμε με τα τρέχοντα κβαντικά συστήματα πληροφορικής».
Πηγή