Η κβαντική υπολογιστική βρίσκεται σε ένα κρίσιμο σταυροδρόμι, όπου η ανάγκη για μεγάλο αριθμό qubits υψηλής ποιότητας συγκρούεται με τους περιορισμούς των υπαρχουσών κατασκευαστικών μεθόδων. Μέχρι σήμερα, οι εταιρείες ακολουθούσαν δύο κύριες οδούς: τη χρήση ηλεκτρονικών συσκευών που επιτρέπουν τη μαζική παραγωγή αλλά είναι "κλειδωμένες" σε συγκεκριμένες γεωμετρίες, και τη χρήση ατόμων ή φωτονίων που προσφέρουν ευελιξία αλλά απαιτούν εξαιρετικά περίπλοκο υλικό διαχείρισης.
Μια νέα έρευνα που δημοσιεύθηκε αυτή την εβδομάδα υπόσχεται να γεφυρώσει αυτούς τους δύο κόσμους, προσφέροντας τα πλεονεκτήματα και των δύο προσεγγίσεων. Η μελέτη επικεντρώνεται στις κβαντικές κουκκίδες (quantum dots), οι οποίες μπορούν να κατασκευαστούν μαζικά και να φιλοξενήσουν ένα qubit ως το σπιν ενός μεμονωμένου ηλεκτρονίου. Το σημαντικότερο εύρημα είναι ότι είναι πλέον δυνατή η μετακίνηση αυτών των "qubits σπιν" από μια κβαντική κουκκίδα σε μια άλλη χωρίς την απώλεια κβαντικών πληροφοριών.
Τα πλεονεκτήματα των κινητών qubits
Η ικανότητα μετακίνησης των qubits είναι καθοριστική για την κλιμάκωση της κβαντικής υπολογιστικής. Στα συστήματα που βασίζονται σε άτομα ή ιόντα, η δυνατότητα μετακίνησής τους επιτρέπει τη διασύνδεση οποιουδήποτε qubit με οποιοδήποτε άλλο (any-to-any connectivity). Αυτό προσφέρει τεράστια ευελιξία στην εφαρμογή σχημάτων διόρθωσης σφαλμάτων, τα οποία είναι απαραίτητα για τη λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών σε πραγματικές συνθήκες.
Αντίθετα, τα συστήματα που βασίζονται σε σταθερές ηλεκτρονικές συσκευές είναι περιορισμένα από τη συνδεσμολογία που καθορίζεται κατά τη διαδικασία κατασκευής του τσιπ. Εάν αναπτυχθεί ένα καλύτερο σχήμα διόρθωσης σφαλμάτων μετά την κατασκευή του τσιπ, είναι συνήθως αδύνατο να εφαρμοστεί. Η νέα μέθοδος με τις κβαντικές κουκκίδες επιτρέπει την αναδιαμόρφωση των συνδέσεων "εν πτήσει", δίνοντας στους ερευνητές τη δυνατότητα να επιλέγουν το βέλτιστο σχήμα ανάλογα με τον αλγόριθμο που εκτελείται.
Πώς λειτουργούν οι κβαντικές κουκκίδες
Μια κβαντική κουκκίδα μπορεί να θεωρηθεί ως ένας τρόπος ελέγχου της συμπεριφοράς ενός ηλεκτρονίου σε έναν εξαιρετικά περιορισμένο χώρο, μικρότερο από το μήκος κύματος του ίδιου του ηλεκτρονίου. Λόγω του μικροσκοπικού τους μεγέθους, είναι δυνατή η ενσωμάτωση χιλιάδων τέτοιων κουκκίδων σε ένα μόνο τσιπ, χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους παραγωγής ημιαγωγών.
Για τη χρήση τους ως qubits, οι ερευνητές "φορτώνουν" ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο στην κουκκίδα και ελέγχουν το σπιν του (spin-up, spin-down ή υπέρθεση). Παρόλο που τα qubits που βασίζονται σε ηλεκτρόνια είναι ευαίσθητα στις παρεμβολές από το περιβάλλον, οι κβαντικές κουκκίδες παρέχουν την απαραίτητη μόνωση ώστε να διατηρούνται οι κβαντικές καταστάσεις για επαρκές χρονικό διάστημα.
Η δυνατότητα μεταφοράς της κβαντικής πληροφορίας μέσω της φυσικής μετακίνησης του ηλεκτρονίου μεταξύ γειτονικών κουκκίδων ανοίγει το δρόμο για πιο ευέλικτες και επεκτάσιμες αρχιτεκτονικές κβαντικών υπολογιστών. Αυτή η εξέλιξη θα μπορούσε να επιταχύνει τη δημιουργία πρακτικών κβαντικών συσκευών με εφαρμογές στην κρυπτογραφία, την επιστήμη των υλικών και την προσομοίωση σύνθετων συστημάτων.
Βιβλιογραφία:
Ars Technica (arstechnica.com)