Μια νέα μελέτη από ερευνητές του Αυτόνομου Πανεπιστημίου της Βαρκελώνης και του Hunter College αποκαλύπτει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να επιλύσουν ένα πρόβλημα που είναι θεωρητικά αδύνατο για τα κλασικά συστήματα. Πρόκειται για τον προσδιορισμό της «αρτιότητας ή περιττότητας» των μεταθέσεων σωματιδίων, χωρίς την ανάγκη χρήσης διακριτών ετικετών για κάθε σωματίδιο.
Το έργο αυτό αφορά την ανακάλυψη του αν η αναδιάταξη σωματιδίων από την αρχική τους σειρά σε μια νέα απαιτεί έναν άρτιο ή περιττό αριθμό ανταλλαγών θέσεων. Ενώ ένας κλασικός υπολογιστής θα χρειαζόταν μια μοναδική «ταυτότητα» (όπως ένα διαφορετικό χρώμα) για κάθε σωματίδιο ώστε να παρακολουθήσει τις αλλαγές, η κβαντική τεχνολογία προσφέρει μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση.
Το παράδειγμα με τις χρωματιστές μπάλες
Για να γίνει κατανοητή η φύση του προβλήματος, οι ερευνητές χρησιμοποιούν την αναλογία ενός παιχνιδιού. Φανταστείτε ότι έχετε 4 μπάλες τοποθετημένες σε μια σειρά. Αν κάποιος τις ανακατέψει όσο έχετε γυρισμένη την πλάτη, μπορείτε να καταλάβετε αν έγιναν άρτιες ή περιττές ανταλλαγές μόνο αν κάθε μπάλα έχει μοναδικό χρώμα. Αν δύο μπάλες έχουν το ίδιο χρώμα, η πληροφορία χάνεται για τα κλασικά συστήματα.
Στον μικροσκοπικό κόσμο, αν τα σωματίδια είναι qubits (κβαντικές μονάδες πληροφορίας), δεν μπορούν να «σημανθούν» με τόσους πολλούς διαφορετικούς τρόπους ώστε να είναι πλήρως διακριτά μεταξύ τους. Ένα qubit μπορεί να χωρέσει μόνο δύο τέλειες διακριτές ετικέτες, κάτι που κλασικά μεταφράζεται στη χρήση μόνο δύο χρωμάτων.
Η δύναμη της κβαντικής σύμπλεξης
Εδώ ακριβώς εμφανίζεται το κβαντικό πλεονέκτημα. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι αν τα σωματίδια ξεκινήσουν σε μια κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής (entanglement), είναι δυνατόν να μετρηθεί η τελική τους κατάσταση και να προσδιοριστεί η «ισοτιμία» (parity) της μετάθεσης. Με απλά λόγια, η κβαντική σύμπλεξη μπορεί να λειτουργήσει ως υποκατάστατο των ετικετών.
Για την έρευνά τους, οι επιστήμονες βασίστηκαν στη «θεωρία αναπαράστασης», ένα εργαλείο της θεωρίας ομάδων που μελετά τις συμμετρίες και τις δομημένες ακολουθίες ενεργειών. Αυτό το μαθηματικό πλαίσιο επέτρεψε την ανάλυση του πώς η συμμετρία επηρεάζει τις κβαντικές καταστάσεις των σωματιδίων.
Απλές πράξεις με τεράστιες συνέπειες
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της ανακάλυψης είναι η απλότητά της. Χωρίς την εφαρμογή πρόσθετων μετασχηματισμών, η απλή μετάθεση των σωματιδίων αρκεί για να αναδειχθεί η υπεροχή των κβαντικών συστημάτων. Η ταυτοποίηση εργασιών όπου οι κβαντικοί υπολογιστές υπερέχουν των κλασικών είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη εξειδικευμένων αλγορίθμων και τη βελτιστοποίηση των μελλοντικών υπολογιστικών συστημάτων.
Η ερευνητική ομάδα σκοπεύει τώρα να εξερευνήσει πιο σύνθετα σενάρια που περιλαμβάνουν διαφορετικές ομάδες συμμετρίας, πηγαίνοντας πέρα από τις απλές δυαδικές ερωτήσεις. Η εργασία αυτή αποτελεί μέρος ενός ευρύτερου προγράμματος για τον ρόλο της συμμετρίας στη διάκριση κβαντικών καταστάσεων.
Λεπτομέρειες δημοσίευσης
A. Diebra et al, Κβαντικό Πλεονέκτημα στον Προσδιορισμό της Ισοτιμίας Μεταθέσεων με Βεβαιότητα, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/yhyv-xnwq . Στο arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2508.04310
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review Letters , arXiv