Στον ταχύτατα εξελισσόμενο τομέα της κβαντικής υπολογιστικής, η αναζήτηση της κβαντικής υπεροχής έχει γίνει μια σύγχρονη «μάχη» μεταξύ γιγάντων της τεχνολογίας, όπως η Google και η IBM, οι οποίες επενδύουν δισεκατομμύρια προκειμένου να επιτύχουν βελτιώσεις σε κλάσματα δευτερολέπτου. Ωστόσο, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον έχει ήδη ανατρέψει τα δεδομένα με μια καινοτόμο δημοσίευση στην επιστημονική κοινότητα. Οι επιστήμονες ανακοίνωσαν την επιτυχία τους στη δημιουργία ενός νέου τύπου κβαντικού επεξεργαστή, ο οποίος διατηρεί την πληροφορία «ζωντανή» για χρόνο-ρεκόρ, επιτυγχάνοντας 15 φορές καλύτερη απόδοση σε σχέση με τα σημερινά εμπορικά συστήματα.
Το «φράγμα» του 1 millisecond
Στον παράξενο κόσμο της κβαντικής μηχανικής, ο χρόνος είναι ο αντίπαλος. Τα κβαντικά bits (qubits) είναι εξαιρετικά ευαίσθητα και μια απλή διαταραχή – όπως αλλαγές στη θερμοκρασία ή ελάχιστος ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος – μπορεί να οδηγήσει στην κατάρρευση της κβαντικής τους κατάστασης. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως αποσυνοχή, ευθύνεται για τα σφάλματα που παρατηρούνται στους σύγχρονους κβαντικούς υπολογιστές, καθιστώντας δύσκολη την εκτέλεση πολύπλοκων υπολογισμών.
Μέχρι πρότινος, τα qubits που χρησιμοποιούνταν σε προχωρημένους επεξεργαστές, όπως ο Sycamore της Google, βασίζονταν σε υπεραγώγιμα κυκλώματα αλουμινίου ή νιοβίου και είχαν χρόνο ζωής (χρόνο συνοχής) που περιοριζόταν σε 60 με 70 μικροδευτερόλεπτα. Η ομάδα του Πρίνστον, όμως, κατάφερε να παρουσιάσει ένα qubit που διατηρεί τη σταθερότητά του για άνω των 1.000 μικροδευτερολέπτων (1 μιλισεκόντ).
Ενώ το ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου μπορεί να φαίνεται ασήμαντο για τους ανθρώπους, για έναν κβαντικό υπολογιστή αποτελεί μια αιωνιότητα. Αρκεί για να εκτελούνται εκατομμύρια πράξεις και, κυρίως, για να εφαρμοστούν αλγόριθμοι διόρθωσης σφαλμάτων που θα καταστήσουν τους υπολογιστές αυτούς αξιόπιστους.
Ταντάλιο: Ο «αφανής ήρωας» του Περιοδικού Πίνακα
Η επιτυχία της ερευνητικής ομάδας δεν έγκειται σε κάποια εξωτική φυσική θεωρία, αλλά στη επιστήμη των υλικών. Τα τελευταία χρόνια, η βιομηχανία είχε επικεντρωθεί στο νιόβιο για την κατασκευή των υπεραγώγιμων qubits, το οποίο, όμως, παρουσιάζει σημαντική αδυναμία: η επαφή του με τον αέρα προκαλεί οξείδωση, δημιουργώντας μικρές ατέλειες που μπορεί να απορροφήσουν ενέργεια από το qubit και να οδηγήσουν σε γρήγορο θάνατο.
Κάτω από την καθοδήγηση των Andrew Houck και Nathalie de Leon, οι ερευνητές του Πρίνστον αποφάσισαν να επιχειρήσουν τολμηρές αλλαγές. Αντικατέστησαν το νιόβιο με ταντάλιο, ένα ανθεκτικό στα χημικά μέταλλο που χρησιμοποιείται συχνά σε ηλεκτρονικά υψηλής αντοχής. Επίσης, αντικατέστησαν την κοινώς χρησιμοποιούμενη βασική επιφάνεια με πυρίτιο υψηλής καθαρότητας, το οποίο είναι το θεμέλιο της σύγχρονης βιομηχανίας μικροτσίπ.
Αποτέλεσμα της αλλαγής ήταν επαναστατικό. Το ταντάλιο αποδείχθηκε πολύ πιο «καθαρό», χωρίς τις οξειδώσεις που προκαλούν θόρυβο. Το qubit διατήρησε την κβαντική του κατάσταση τρεις φορές περισσότερο από το προηγούμενο ρεκόρ εργαστηρίου και 15 φορές περισσότερο από τα qubits που εξετάζουμε σε σύγχρονους κβαντικούς επεξεργαστές.
Γιατί η Google και η IBM θα πρέπει να ανησυχούν (ή να χαίρονται);
Η ανακάλυψη αυτή καθορίζει μια νέα πορεία προς το μέλλον. Το γεγονός ότι το νέο qubit βασίζεται στο πυρίτιο είναι εξαιρετικά σημαντικό, καθώς υποδηλώνει ότι η τεχνολογία είναι συμβατή με τις υπάρχουσες γραμμές παραγωγής ημιαγωγών. Ώστε να μην απαιτείται η επανεφεύρεση του «τροχού» για μαζική παραγωγή.
Για εταιρείες όπως η Google και η IBM, τα νέα δεδομένα έχουν διπλή σημασία: από τη μία, τα υπάρχοντα τεχνολογικά τους συστήματα φαίνονται ξαφνικά ξεπερασμένα, ενώ από την άλλη, η ανακάλυψη του Πρίνστον δεν απαιτεί ριζική αλλαγή στην αρχιτεκτονική τους. Αν ενοποιήσουν το ταντάλιο με τις διαδικασίες παραγωγής τους, θα μπορούσαν να επιτύχουν αξιοσημείωτες βελτιώσεις στις επιδόσεις μέσα σε λίγα χρόνια, κάνοντάς τους να πλησιάσουν την εποχή του «χρήσιμου» κβαντικού υπολογιστή.
Το επόμενο βήμα: Από το εργαστήριο στην πραγματικότητα
Φυσικά, υπάρχει απόσταση από την κατασκευή ενός μεμονωμένου qubit στο εργαστήριο μέχρι έναν πλήρη επεξεργαστή με χιλιάδες qubits. Όμως, η ομάδα του Πρίνστον δεν σταμάτησε στη θεωρία. Δημιούργησε ήδη ένα λειτουργικό τσιπ με αυτά τα νέα υλικά, επιβεβαιώνοντας την πρακτικότητα της μεθόδου τους.
Συχνά, η λύση στα μεγάλα προβλήματα της πληροφορικής δεν απαιτεί πολυσύνθετα συστήματα, αλλά καλύτερα υλικά. Το ταντάλιο, που μέχρι χθες ήταν σχεδόν αόρατο, μπορεί τελικά να είναι το κλειδί που θα ανοίξει την πόρτα στην επόμενη μεγάλη τεχνολογική επανάσταση.
