Επιστήμονες στο Ηνωμένο Βασίλειο κατάφεραν να συνδέσουν για πρώτη φορά δύο ξεχωριστούς κβαντικούς επεξεργαστές χρησιμοποιώντας κοινά καλώδια οπτικών ινών, ανοίγοντας τον δρόμο για ένα κβαντικό διαδίκτυο και, μακροπρόθεσμα, για την υλοποίηση κβαντικών υπερυπολογιστών.
Το πρόβλημα της κλιμάκωσης στα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα
Η αύξηση των qubits – των βασικών μονάδων πληροφορίας σε έναν κβαντικό υπολογιστή – είναι γνωστό πως προκαλεί δυσκολίες. Τα κβαντικά συστήματα είναι εξαιρετικά ευαίσθητα σε θερμότητα, κίνηση και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με αποτέλεσμα να εμφανίζουν πολύ περισσότερα σφάλματα από τα κλασικά συστήματα. Όσο αυξάνεται ο αριθμός των qubits, τόσο αυξάνεται και ο κίνδυνος για αποσυνοχή (decoherence), δηλαδή απώλεια κβαντικής πληροφορίας.
Αντί να προσπαθούν να δημιουργήσουν έναν τεράστιο υπολογιστή με εκατομμύρια qubits, οι ερευνητές πρότειναν – και απέδειξαν – μια πιο ευέλικτη προσέγγιση: τη σύνδεση μικρότερων κβαντικών μονάδων μεταξύ τους.
Η μελέτη που ανοίγει νέους ορίζοντες στην κβαντική πληροφορική
Στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στις 5 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature, οι επιστήμονες περιέγραψαν πώς κατάφεραν να συνδέσουν δύο κβαντικούς επεξεργαστές – τους οποίους ονόμασαν «Άλις» και «Μπομπ»- μέσω μιας φωτονικής διεπαφής βασισμένης σε οπτικές ίνες. Η αποστολή κβαντικών αλγορίθμων μέσα από αυτή τη διεπαφή επέτρεψε στους δύο επεξεργαστές να μοιραστούν πόρους και να λειτουργήσουν σαν ενιαίο σύστημα.
Για πρώτη φορά, μεταφέρθηκαν με επιτυχία φωτόνια που έφεραν κβαντική πληροφορία, καθώς και ένας πλήρης κβαντικός αλγόριθμος, με χρήση του φαινομένου της κβαντικής διεμπλοκής. Οι δύο μονάδες συνεργάστηκαν για την εκτέλεση του αλγορίθμου Grover, ενός κβαντικού αλγορίθμου που στοχεύει στην ανίχνευση συγκεκριμένης πληροφορίας μέσα σε μεγάλες και αταξινόμητες βάσεις δεδομένων.
Κατανεμημένοι επεξεργαστές, μικρότεροι κόμβοι, μεγαλύτερες δυνατότητες
Η νέα τεχνική δίνει τη δυνατότητα εκτέλεσης υπολογισμών σε κατανεμημένο δίκτυο από πολλαπλούς μικρούς επεξεργαστές. Αντί για έναν υπερβολικά περίπλοκο και δυσλειτουργικό υπολογιστή με εκατομμύρια qubits, οι επιστήμονες προτείνουν ένα δίκτυο από μικρές μονάδες ιονικών qubits, που θα ενώνονται με οπτικά καλώδια και θα επιτρέπουν τη διεμπλοκή qubits ακόμα και σε μακρινές αποστάσεις.
Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα είναι η ευκολία συντήρησης: κάθε μονάδα μπορεί να αναβαθμιστεί ή να αντικατασταθεί χωρίς να διαταραχθεί η λειτουργία του συνολικού συστήματος.
Το μέλλον της κβαντικής τεχνολογίας
Αν και στην παρούσα δοκιμή η απόσταση μεταξύ των επεξεργαστών ήταν μόλις 2 μέτρα, μελλοντικές εφαρμογές απαιτούν σταθερότητα σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις. Για αυτό τον σκοπό, οι ερευνητές σχεδιάζουν να ενσωματώσουν κβαντικούς αναμεταδότες, συσκευές που ενισχύουν και επεκτείνουν το εύρος της κβαντικής μετάδοσης.
Η προοπτική είναι ξεκάθαρη: αν περισσότερες τέτοιες μονάδες συνδεθούν μεταξύ τους, μπορούμε να δημιουργήσουμε κβαντικούς υπερυπολογιστές με τεράστια υπολογιστική ισχύ. Ακριβώς όπως οι σημερινοί υπερυπολογιστές συνδυάζουν εκατοντάδες κλασικούς επεξεργαστές, έτσι και οι μελλοντικοί κβαντικοί υπολογιστές θα λειτουργούν ως κατανεμημένα συστήματα υψηλής απόδοσης.
Ασφάλεια και επικοινωνία μέσω του κβαντικού διαδικτύου
Εκτός από την υπολογιστική ισχύ, η τεχνολογία αυτή ανοίγει τον δρόμο και για ένα ασφαλές κβαντικό δίκτυο επικοινωνίας. Οι κβαντικοί επεξεργαστές θα μπορούν να συνεργάζονται σε παγκόσμιο επίπεδο, μεταφέροντας δεδομένα με κβαντική κρυπτογράφηση που θεωρείται απαραβίαστη με τα σημερινά μέσα.
Η επεξεργασία κβαντικής πληροφορίας μέσω δικτύου είναι εφικτή
Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, καθηγητής David Lucas, δήλωσε: «Το πείραμά μας αποδεικνύει ότι η επεξεργασία κβαντικής πληροφορίας σε κατανεμημένο δίκτυο είναι απολύτως εφικτή με την υπάρχουσα τεχνολογία».
Ωστόσο, προσέθεσε ότι υπάρχει ακόμα πολλή δουλειά μπροστά: «Η κλιμάκωση των κβαντικών υπολογιστών παραμένει μια τρομακτική τεχνική πρόκληση που πιθανόν να απαιτήσει νέες φυσικές γνώσεις και εντατική μηχανική προσπάθεια τα επόμενα χρόνια».