Η κατανόηση της τυχαιότητας είναι ζωτικής σημασίας σε πολλούς τομείς. Από την επιστήμη των υπολογιστών και τη μηχανική μέχρι την κρυπτογραφία και την πρόγνωση καιρού, η μελέτη και ερμηνεία της τυχαιότητας μάς βοηθά να προσομοιώνουμε φαινόμενα του πραγματικού κόσμου, να σχεδιάζουμε αλγορίθμους και να προβλέπουμε αποτελέσματα σε αβέβαιες καταστάσεις.
Η τυχαιότητα είναι επίσης σημαντική στους κβαντικούς υπολογιστές, αλλά η παραγωγή της συνήθως απαιτεί μεγάλο αριθμό λειτουργιών. Ωστόσο, ο Thomas Schuster και οι συνεργάτες του στο California Institute of Technology απέδειξαν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να παράγουν τυχαιότητα πολύ πιο εύκολα απ’ ό,τι πιστεύαμε έως τώρα.
Και αυτό είναι καλό νέο, γιατί η έρευνα θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για ταχύτερους και πιο αποδοτικούς κβαντικούς υπολογιστές.
Κβαντικός κόσμος
Σε αντίθεση με τους κλασικούς υπολογιστές που κωδικοποιούν την πληροφορία σε «bits» (είτε μηδέν είτε ένα), η βασική μονάδα πληροφορίας στους κβαντικούς υπολογιστές είναι το κβαντικό bit ή qubit. Η αναδιάταξη ή «ανακάτεμα» αυτών των qubits σε τυχαίες διαμορφώσεις είναι ένας τρόπος με τον οποίο οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να ξεπεράσουν τους κλασικούς υπολογιστές. Αυτό είναι γνωστό ως κβαντικό πλεονέκτημα.
Το «ανακάτεμα» qubits μοιάζει με το ανακάτεμα μιας τράπουλας. Όσο περισσότερα προσθέτεις, τόσο πιο δύσκολο γίνεται και τόσο περισσότερο χρόνο απαιτεί.
Επιπλέον, όσο περισσότερο ανακατεύεις στον κβαντικό κόσμο, τόσο αυξάνεται η πιθανότητα να καταστρέψεις την ευαίσθητη κβαντική κατάσταση κάθε qubit. Γι’ αυτόν τον λόγο, πιστευόταν μέχρι πρότινος ότι μόνο μικροί κβαντικοί υπολογιστές μπορούσαν να χειριστούν εφαρμογές που βασίζονται στην τυχαιότητα.
Αυτό που έκανε η ομάδα στο California Institute of Technology ήταν να δείξει ότι αυτές οι τυχαίες διαμορφώσεις qubit μπορούν να παραχθούν με λιγότερα «ανακατέματα». Πώς το πέτυχαν;
Φαντάστηκαν ότι διαιρούν μια ομάδα από qubits σε μικρότερα μπλοκ και στη συνέχεια απέδειξαν μαθηματικά ότι κάθε μπλοκ μπορούσε να παράγει τυχαιότητα.
Περιγράφοντας την έρευνά τους σε άρθρο στο Science, η ομάδα έδειξε πώς αυτά τα μικρότερα μπλοκ qubit μπορούσαν να «συγκολληθούν» μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μια καλά ανακατεμένη εκδοχή της αρχικής ακολουθίας qubit.
Ως αποτέλεσμα, μπορεί να είναι πλέον εφικτό να χρησιμοποιούνται τυχαία διατεταγμένες ακολουθίες qubit σε μεγαλύτερα κβαντικά συστήματα. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να είναι πιο εύκολο να κατασκευαστούν πιο ισχυροί κβαντικοί υπολογιστές για εργασίες όπως η κρυπτογραφία, οι προσομοιώσεις και πλήθος άλλων εφαρμογών του πραγματικού κόσμου.
Βαθύτερες προεκτάσεις
Οι ερευνητές πιστεύουν επίσης ότι τα ευρήματά τους υποδεικνύουν κάτι ακόμα βαθύτερο. Συγκεκριμένα, μπορεί να υπάρχουν θεμελιώδη όρια στο τι μπορούμε να παρατηρήσουμε στη φύση, διότι τα κβαντικά συστήματα αποκρύπτουν την πληροφορία εξαιρετικά γρήγορα.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι αρκετές θεμελιώδεις φυσικές ιδιότητες-όπως ο χρόνος εξέλιξης, οι φάσεις της ύλης και η αιτιακή δομή-είναι πιθανό να είναι δύσκολο να αναγνωριστούν μέσω συμβατικών κβαντικών πειραμάτων. Αυτό θέτει βαθιά ερωτήματα για τη φύση της ίδιας της φυσικής παρατήρησης».
Περισσότερες πληροφορίες: Thomas Schuster et al, Τυχαία μοναδιαία στοιχεία σε εξαιρετικά χαμηλό βάθος, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv8590
Naoki Yamamoto et al, Συρρίκνωση της κβαντικής τυχαιοποίησης, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adz0147
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστήμη
