Οι ερευνητές προβλέπουν ότι τα κβαντικά κυκλώματα υπολογιστών που δεν θα χρειάζονται πλέον εξαιρετικά κρύες θερμοκρασίες για να λειτουργήσουν θα μπορούσαν να γίνουν πραγματικότητα μετά από περίπου μια δεκαετία.
Τώρα, οι επιστήμονες έχουν επιβεβαιώσει επίσημα την εγκυρότητα αυτής της προσέγγισης. Ο Δρ Kurt Jacobs, από το Εργαστήριο Έρευνας της Διοίκησης Ανάπτυξης Δυνατοτήτων Καταπολέμησης Στρατού των ΗΠΑ, σε συνεργασία με τον Δρ Mikkel Heuck και τον καθηγητή Dirk Englund, του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, έγινε ο πρώτος που απέδειξε τη σκοπιμότητα μιας πύλης κβαντικής λογικής που αποτελείται από φωτονικά κυκλώματα και οπτικοί κρύσταλλοι.
“Εάν μελλοντικές συσκευές που χρησιμοποιούν κβαντικές τεχνολογίες θα απαιτήσουν ψύξη σε πολύ κρύες θερμοκρασίες, τότε αυτό θα τις κάνει ακριβές, ογκώδεις και πεινασμένες για ενέργεια”, δήλωσε ο Heuck. “Η έρευνά μας στοχεύει στην ανάπτυξη μελλοντικών φωτονικών κυκλωμάτων που θα είναι σε θέση να χειριστούν την εμπλοκή που απαιτείται για κβαντικές συσκευές σε θερμοκρασία δωματίου .”
Η κβαντική τεχνολογία προσφέρει μια σειρά μελλοντικών εξελίξεων στον τομέα της πληροφορικής, των επικοινωνιών και της τηλεπισκόπησης.
Προκειμένου να επιτελέσουν κάθε είδους εργασία, οι παραδοσιακοί κλασικοί υπολογιστές λειτουργούν με πλήρη πληροφόρηση. Οι πληροφορίες αποθηκεύονται σε πολλά bits, καθένα από τα οποία μπορεί να είναι ενεργοποιημένο ή απενεργοποιημένο. Ένας κλασικός υπολογιστής, όταν δίνεται μια είσοδος που καθορίζεται από έναν αριθμό bits, μπορεί να επεξεργαστεί αυτήν την είσοδο για να παράγει μια απάντηση, η οποία δίνεται επίσης ως ένας αριθμός bits. Ένας κλασικός υπολογιστής επεξεργάζεται μία είσοδο κάθε φορά.
Αντίθετα, οι κβαντικοί υπολογιστές αποθηκεύουν πληροφορίες σε qubits που μπορεί να βρίσκονται σε παράξενη κατάσταση όπου είναι ταυτόχρονα ενεργοποιημένοι και απενεργοποιημένοι. Αυτό επιτρέπει σε έναν κβαντικό υπολογιστή να διερευνήσει τις απαντήσεις σε πολλές εισόδους ταυτόχρονα. Αν και δεν μπορεί να εξάγει όλες τις απαντήσεις ταυτόχρονα, μπορεί να εξάγει σχέσεις μεταξύ αυτών των απαντήσεων, γεγονός που του επιτρέπει να λύσει κάποια προβλήματα πολύ πιο γρήγορα από έναν κλασικό υπολογιστή.
Δυστυχώς, ένα από τα σημαντικότερα μειονεκτήματα των κβαντικών συστημάτων είναι η ευθραυστότητα των παράξενων καταστάσεων των qubits. Το μεγαλύτερο μέρος του μελλοντικού υλικού για την κβαντική τεχνολογία πρέπει να διατηρείται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες – κοντά σε μηδέν – για να αποφευχθεί η καταστροφή των ειδικών καταστάσεων με την αλληλεπίδραση με το περιβάλλον του υπολογιστή.
“Οποιαδήποτε αλληλεπίδραση που έχει ένα qubit με οτιδήποτε άλλο στο περιβάλλον του θα αρχίσει να παραμορφώνει την κβαντική του κατάσταση”, δήλωσε ο Jacobs. “Για παράδειγμα, εάν το περιβάλλον είναι αέριο σωματιδίων, τότε διατηρώντας το πολύ κρύο κρατά τα μόρια αερίου να κινούνται αργά, έτσι ώστε να μην συντρίβουν τόσο στα κβαντικά κυκλώματα.”
Οι ερευνητές έχουν κατευθύνει διάφορες προσπάθειες για την επίλυση αυτού του ζητήματος, αλλά δεν έχει βρεθεί ακόμη μια συγκεκριμένη λύση. Προς το παρόν, φωτονικά κυκλώματα που ενσωματώνουν μη γραμμικούς οπτικούς κρυστάλλους έχουν προκύψει επί του παρόντος ως η μόνη εφικτή διαδρομή για κβαντικούς υπολογιστές με συστήματα στερεάς κατάστασης σε θερμοκρασίες δωματίου.
“Τα φωτονικά κυκλώματα μοιάζουν λίγο με ηλεκτρικά κυκλώματα, εκτός από το ότι χειρίζονται το φως αντί των ηλεκτρικών σημάτων”, δήλωσε ο Ένγκλαντ. “Για παράδειγμα, μπορούμε να κάνουμε κανάλια σε ένα διαφανές υλικό που τα φωτόνια θα ταξιδεύουν κάτω, σαν ηλεκτρικά σήματα που ταξιδεύουν κατά μήκος καλωδίων.”
Σε αντίθεση με τα κβαντικά συστήματα που χρησιμοποιούν ιόντα ή άτομα για την αποθήκευση πληροφοριών, τα κβαντικά συστήματα που χρησιμοποιούν φωτόνια μπορούν να παρακάμψουν τον περιορισμό της ψυχρής θερμοκρασίας. Ωστόσο, τα φωτόνια πρέπει να αλληλεπιδρούν με άλλα φωτόνια για να εκτελούν λογικές λειτουργίες. Εδώ παίζουν οι μη γραμμικοί οπτικοί κρύσταλλοι.
Οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν κοιλότητες στους κρυστάλλους που παγιδεύουν προσωρινά τα φωτόνια. Μέσω αυτής της μεθόδου, το κβαντικό σύστημα μπορεί να δημιουργήσει δύο διαφορετικές πιθανές καταστάσεις που μπορεί να κρατήσει ένα qubit: μια κοιλότητα με ένα φωτόνιο (σε) και μια κοιλότητα χωρίς ένα φωτόνιο (απενεργοποιημένο). Αυτά τα qubits μπορούν στη συνέχεια να σχηματίσουν κβαντικές λογικές πύλες , οι οποίες δημιουργούν το πλαίσιο για τις παράξενες καταστάσεις.
Με άλλα λόγια, οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν την απροσδιόριστη κατάσταση εάν ένα φωτονίο βρίσκεται σε κρυσταλλική κοιλότητα για να αντιπροσωπεύει ένα qubit. Οι λογικές πύλες δρουν σε δύο qubit μαζί και μπορούν να δημιουργήσουν «κβαντική εμπλοκή» μεταξύ τους. Αυτή η εμπλοκή δημιουργείται αυτόματα σε έναν κβαντικό υπολογιστή και απαιτείται για κβαντικές προσεγγίσεις σε εφαρμογές στην ανίχνευση.
Ωστόσο, οι επιστήμονες βασίστηκαν στην ιδέα να κατασκευάσουν κβαντικές λογικές πύλες χρησιμοποιώντας μη γραμμικούς οπτικούς κρυστάλλους εξ ολοκλήρου σε εικασίες – μέχρι αυτό το σημείο. Ενώ έδειξε τεράστιες υποσχέσεις, παρέμειναν αμφιβολίες για το κατά πόσον αυτή η μέθοδος θα μπορούσε ακόμη και να οδηγήσει σε πρακτικές πύλες λογικής.
Η εφαρμογή μη γραμμικών οπτικών κρυστάλλων είχε παραμείνει υπό αμφισβήτηση έως ότου οι ερευνητές στο εργαστήριο του Στρατού και το MIT παρουσίασαν έναν τρόπο για να πραγματοποιήσουν μια κβαντική πύλη λογικής με αυτήν την προσέγγιση χρησιμοποιώντας καθιερωμένα εξαρτήματα φωτονικών κυκλωμάτων.
“Το πρόβλημα ήταν ότι εάν κάποιος έχει ένα φωτονίο που ταξιδεύει σε ένα κανάλι, το φωτονίο έχει ένα” πακέτο κυμάτων “με συγκεκριμένο σχήμα”, είπε ο Jacobs. “Για μια κβαντική πύλη, χρειάζεστε τα πακέτα κύματος φωτονίων για να παραμείνετε τα ίδια μετά τη λειτουργία της πύλης. Δεδομένου ότι οι μη γραμμικές παραμορφώσεις παραμορφώνουν τα πακέτα κυμάτων, το ερώτημα ήταν εάν θα μπορούσατε να φορτώσετε το πακέτο κυμάτων σε κοιλότητες, να τα αλληλεπιδράσετε μέσω ενός μη γραμμικότητα και, στη συνέχεια, εκπέμψτε ξανά τα φωτόνια έτσι ώστε να έχουν τα ίδια πακέτα κυμάτων με τα οποία ξεκίνησαν. “
Μόλις σχεδίασαν την κβαντική λογική πύλη, οι ερευνητές πραγματοποίησαν πολλές προσομοιώσεις υπολογιστών της λειτουργίας της πύλης για να δείξουν ότι θα μπορούσε, θεωρητικά, να λειτουργεί σωστά. Η πραγματική κατασκευή μιας κβαντικής λογικής πύλης με αυτήν τη μέθοδο θα απαιτήσει πρώτα σημαντικές βελτιώσεις στην ποιότητα ορισμένων φωτονικών συστατικών, ανέφεραν οι ερευνητές.
“Με βάση την πρόοδο που σημειώθηκε την τελευταία δεκαετία, αναμένουμε ότι θα χρειαστούν περίπου δέκα χρόνια για να πραγματοποιηθούν οι απαραίτητες βελτιώσεις”, δήλωσε ο Heuck. “Ωστόσο, η διαδικασία φόρτωσης και εκπομπής πακέτου κυμάτων χωρίς παραμόρφωση είναι κάτι που πρέπει να μπορούμε να συνειδητοποιήσουμε με την τρέχουσα πειραματική τεχνολογία και έτσι είναι ένα πείραμα στο οποίο θα εργαστούμε στη συνέχεια.”
Το Physical Review Letters δημοσίευσε τα ευρήματα της ομάδας σε μια εφημερίδα 20 Απριλίου.