Quantum Computing
Εξερεύνηση Κβαντικών Συστημάτων: Το MIT Ανοίγει Νέους Ορίζοντες
Το MIT ανοίγει νέους ορίζοντες στην κβαντική φυσική με πειράματα που συνδέουν κβαντικά συστήματα μέσω “σκουληκότρυπων”.
Η πρωτοποριακή πειραματική προσέγγιση του MIT
Για πρώτη φορά, ερευνητές από το MIT, το Caltech, το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και άλλους συνεργάτες κατάφεραν να στείλουν κβαντικές πληροφορίες μέσω ενός κβαντικού συστήματος, μια διαδικασία που μπορεί να συγκριθεί με τη διέλευση ενός σκουληκότρυπου. Αν και το πείραμα αυτό δεν δημιούργησε μια διαταραχή του φυσικού χώρου και χρόνου όπως θα περιμέναμε από την επιστημονική φαντασία, οι υπολογισμοί έδειξαν ότι τα κβαντικά bits, ή qubits, ταξίδεψαν από ένα σύστημα εμπλεγμένων σωματιδίων σε ένα άλλο, σε ένα μοντέλο βαρύτητας. Το πείραμα αυτό πραγματοποιήθηκε στη συσκευή κβαντικού επεξεργαστή Sycamore της Google και ανοίγει το δρόμο για μελλοντικά πειράματα με κβαντικούς υπολογιστές που θα εξερευνήσουν ιδέες από τη θεωρία των χορδών και τη βαρυτική φυσική.
Η σημασία της προσομοίωσης κβαντικών συστημάτων
Ο Daniel Harlow, Αναπληρωτής Καθηγητής Φυσικής και ερευνητής στο Εργαστήριο Πυρηνικής Επιστήμης του MIT, τονίζει ότι η προσομοίωση κβαντικών συστημάτων με ισχυρές αλληλεπιδράσεις, όπως αυτά που προκύπτουν στη κβαντική βαρύτητα, είναι μια από τις πιο συναρπαστικές εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών. Αυτό το πείραμα αποτελεί ένα υποσχόμενο αρχικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση.
Η θεωρία του σκουληκότρυπου και οι νέες ανακαλύψεις
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature, μια ομάδα φυσικών, συμπεριλαμβανομένων των ερευνητών από το Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής του MIT, παρουσιάζει αποτελέσματα για ένα ζεύγος κβαντικών συστημάτων που συμπεριφέρονται αναλογικά με ένα διαπερατό σκουληκότρυπο. Ένα σκουληκότρυπο είναι μια γέφυρα μεταξύ δύο απομακρυσμένων περιοχών του χωροχρόνου. Στην κλασική γενική θεωρία της σχετικότητας, τίποτα δεν επιτρέπεται να περάσει μέσα από το σκουληκότρυπο.
Η κβαντική μηχανική και η διάβαση του σκουληκότρυπου
Το 2019, ο Daniel Jafferis από το Χάρβαρντ και οι συνεργάτες του πρότειναν ότι ένα σκουληκότρυπο μπορεί να είναι διαπερατό όταν δημιουργείται από εμπλεγμένες μαύρες τρύπες. Ο Kolchmeyer, μεταδιδακτορικός ερευνητής που εργάζεται με τους ερευνητές του CTP και LNS, καθοδηγήθηκε από τον Jafferis για το διδακτορικό του. Αυτοί οι φυσικοί ανακάλυψαν έναν κβαντικό μηχανισμό για να καταστήσουν ένα σκουληκότρυπο διαπερατό εισάγοντας μια άμεση αλληλεπίδραση μεταξύ των απομακρυσμένων περιοχών του χωροχρόνου, χρησιμοποιώντας ένα απλό κβαντικό δυναμικό σύστημα φερμιονίων.
Η τεχνολογία πίσω από το πείραμα
Στο πείραμα, οι ερευνητές έστειλαν ένα σήμα “μέσω του σκουληκότρυπου” τηλεμεταφέροντας μια κβαντική κατάσταση από ένα κβαντικό σύστημα σε άλλο στον κβαντικό επεξεργαστή Sycamore 53-qubit. Για να το επιτύχουν αυτό, η ερευνητική ομάδα έπρεπε να καθορίσει εμπλεγμένα κβαντικά συστήματα που συμπεριφέρονται με τις ιδιότητες που προβλέπονται από την κβαντική βαρύτητα, αλλά που ήταν επίσης αρκετά μικρά για να λειτουργήσουν στους σημερινούς κβαντικούς υπολογιστές.
Η πρόκληση της απλότητας και της συνδεσιμότητας
Ο Zlokapa, μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής στο MIT, εξηγεί ότι η κεντρική πρόκληση ήταν να βρεθεί ένα αρκετά απλό πολυσωματιδιακό κβαντικό σύστημα που να διατηρεί βαρυτικές ιδιότητες. Για να το επιτύχουν αυτό, η ομάδα χρησιμοποίησε τεχνικές από τη μηχανική μάθηση, λαμβάνοντας συστήματα με υψηλή αλληλεπίδραση και μειώνοντας σταδιακά τη συνδεσιμότητά τους. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας μάθησης παρήγαγε πολλά παραδείγματα συστημάτων με συμπεριφορά συνεπή με την κβαντική βαρύτητα, αλλά κάθε περίπτωση απαιτούσε μόνο περίπου 10 qubits — ένα ιδανικό μέγεθος για τον επεξεργαστή Sycamore.
Επιβεβαίωση με κλασικούς υπολογιστές
Αφού οι ερευνητές εντόπισαν αυτά τα συστήματα 10-qubit, εισήγαγαν ένα qubit σε ένα σύστημα, εφάρμοσαν ένα ενεργειακό κύμα σοκ στον επεξεργαστή και στη συνέχεια παρατήρησαν την ίδια πληροφορία στο άλλο κβαντικό σύστημα στον επεξεργαστή. Η ομάδα μέτρησε πόση κβαντική πληροφορία πέρασε από το ένα κβαντικό σύστημα στο άλλο ανάλογα με τον τύπο του κύματος σοκ που εφαρμόστηκε, αρνητικό ή θετικό.
Μελλοντικές προοπτικές και υποστήριξη
Αυτό το νέο έργο ανοίγει τη δυνατότητα μελλοντικών πειραμάτων κβαντικής βαρύτητας με μεγαλύτερους κβαντικούς υπολογιστές και πιο περίπλοκα εμπλεγμένα συστήματα. Αυτή η εργασία δεν αντικαθιστά τις άμεσες παρατηρήσεις της κβαντικής βαρύτητας, όπως οι ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων μέσω του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων με Λέιζερ (LIGO), προσθέτει η Spiropulu.
Τόσο ο Zlokapa όσο και ο Kolchmeyer είναι ενθουσιασμένοι για το πώς τέτοια πειράματα μπορούν να προωθήσουν την κατανόηση της κβαντικής βαρύτητας. “Είμαι πολύ περίεργος να δω πόσο μακριά μπορούμε να εξερευνήσουμε την κβαντική βαρύτητα στους σημερινούς κβαντικούς υπολογιστές. Έχουμε κάποιες συγκεκριμένες ιδέες για μελλοντική εργασία που με ενθουσιάζουν,” λέει ο Zlokapa.
Αυτή η εργασία υποστηρίζεται από μια επιχορήγηση του Προγράμματος QuantISED του Γραφείου Υψηλής Ενέργειας Φυσικής του Υπουργείου Ενέργειας για “Κβαντικά Κανάλια Επικοινωνίας για Θεμελιώδη Φυσική”.
