Ένα συνεργατικό ερευνητικό πρόγραμμα μεταξύ επιστημόνων του Πανεπιστημίου του Σάο Πάολο (IFSC-USP) στη Βραζιλία και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Πεκίνου στην Κίνα έλυσε ένα πρόβλημα που απασχολούσε επί μακρόν την κβαντική τεχνολογία: την ανάγνωση ενός κβαντικού bit (qubit) χωρίς να καταστρέφονται οι πληροφορίες που περιέχει. Η προσέγγισή τους αποφεύγει επίσης τη χρήση βοηθητικών qubits, τα οποία χρησιμοποιούνται και σε άλλες μεθόδους μη καταστροφικής κβαντικής ανάγνωσης, γεγονός που καθιστά το επίτευγμα ιδιαίτερα σημαντικό.
Καθώς οι κβαντικές τεχνολογίες εξελίσσονται, οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους μέτρησης των κβαντικών bit ή qubits, τα οποία αποθηκεύουν κβαντικές πληροφορίες. Τα qubits έχουν την ιδιότητα να μπορούν να αποθηκεύουν μεγάλο αριθμό τιμών μεταξύ του 0 και του 1, αλλά είναι επίσης εξαιρετικά ευάλωτα σε εξωτερικές διαταραχές. Ενώ αυτή η ιδιότητα επιτρέπει στα qubits να αποθηκεύουν μεγάλες ποσότητες πληροφοριών ταυτόχρονα, η ευαισθησία τους καθιστά τους υπολογισμούς που βασίζονται σε αυτές τις πληροφορίες επιρρεπείς σε σφάλματα.
Για να περιοριστούν τα σφάλματα, θα μπορούσε κανείς να διαβάζει κατά διαστήματα τις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στα qubits. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία καταστρέφει ή μεταβάλλει τις πληροφορίες, δημιουργώντας πρόσθετες δυσκολίες για τους ερευνητές.
Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μεθόδους μη καταστροφικής κβαντικής μέτρησης, οι οποίες συνήθως περιλαμβάνουν βοηθητικά qubits. Αυτά τα βοηθητικά qubits πρέπει να συνδεθούν με το qubit που εξετάζεται, στη συνέχεια να μεταφερθούν σε αυτά οι πληροφορίες και, τέλος, να πραγματοποιηθεί η ανάγνωσή τους. Η διαδικασία αυτή αυξάνει τον απαιτούμενο χρόνο και την πολυπλοκότητα της συνολικής διαδικασίας μέτρησης.
Για τον λόγο αυτό, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Jose Carlos Egues από το IFSC-USP και τον Yugui Yao από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Πεκίνου στράφηκε στα qubits Andreev, προκειμένου να διαπιστώσει εάν θα μπορούσαν να μετρηθούν απευθείας.
Τι είναι τα qubits Andreev;
Τα qubits Andreev, που πήραν το όνομά τους από τον Σοβιετικό φυσικό Alexander Andreev, αποτελούν ένα κβαντικό χαρακτηριστικό της διεπιφάνειας μεταξύ κανονικών και υπεραγώγιμων υλικών. Είναι επίσης γνωστά ως καταστάσεις Andreev και εμφανίζονται στη νανοκλίμακα, στην περιοχή μεταξύ υπεραγώγιμων υλικών. Μπορούν να κωδικοποιούν καταστάσεις όπως το 0 και το 1, καθώς και υπερθέσεις αυτών των καταστάσεων.
Σε ένα σύστημα εμφανίζεται επίσης ένα άλλο φαινόμενο, το οποίο ονομάζεται υπερεύμα (supercurrent), κατά το οποίο το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει χωρίς καμία ηλεκτρική αντίσταση. Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν ένα qubit Andreev σε ένα κλειστό υπεραγώγιμο κύκλωμα και τοποθέτησαν κοντά του ένα SQUID (συσκευή κβαντικής συμβολής υπεραγωγών), για τη μέτρηση μεταβολών σε ασθενή μαγνητικά πεδία.
Όταν το υπερεύμα ρέει μέσα στο κύκλωμα, το SQUID μπορεί να μετρήσει τις μεταβολές του μαγνητικού πεδίου και να προσδιορίσει τη συμπεριφορά του ρεύματος. Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι το υπερεύμα έχει δύο συνιστώσες: μία σταθερή και μία μεταβαλλόμενη.
Η μέτρηση αυτών των συνιστωσών αποκαλύπτει, αφενός, την αναλογία των καταστάσεων 0 και 1 που συμμετέχουν στην υπέρθεση και, αφετέρου, τη μεταξύ τους σχέση φάσης. Η γνώση αυτών των στοιχείων ισοδυναμεί με τη γνώση της κατάστασης του qubit.
Ανάγνωση χωρίς καταστροφή
«Μπορούμε να φανταστούμε το qubit ως μία πυξίδα και το SQUID ως μια δεύτερη πυξίδα. Το ρεύμα στο κύκλωμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο και το SQUID ανιχνεύει αυτό το πεδίο», εξήγησε ο Egues σε δελτίο Τύπου. «Επειδή η σύζευξη μεταξύ των δύο είναι πολύ ασθενής, η επίδραση του οργάνου μέτρησης στο qubit τείνει να είναι πολύ μικρή».
Οι κβαντικές μετρήσεις μεταβάλλουν πάντοτε τις πληροφορίες που περιέχονται στο qubit, και η συγκεκριμένη μέθοδος δεν αποτελεί εξαίρεση. Η συσκευή που προτείνει η ομάδα θα παρέχει ανατροφοδότηση, η οποία θα μεταβάλλει την κατάσταση του qubit. Ωστόσο, στις προσομοιώσεις της ομάδας, αυτές οι μεταβολές ήταν τόσο μικρές ώστε να θεωρούνται αμελητέες. Τα αποτελέσματα παρουσίασαν ακρίβεια 99,52%, 99,81% και 99,85%, ποσοστά που βρίσκονται εντός των ορίων του περιθωρίου σφάλματος.
«Η μέθοδός μας δεν εξαλείφει το θεμελιώδες πρόβλημα της κβαντικής μέτρησης. Μπορεί, ωστόσο, να προσεγγίσει το όριο της μη καταστροφικής ανάγνωσης και, ταυτόχρονα, να αποφύγει τη χρήση βοηθητικών qubits —των ancillas— που χρησιμοποιούνται σε άλλα πρωτόκολλα μη καταστροφικής κβαντικής μέτρησης», πρόσθεσε ο Egues.
Επιπλέον, η συγκεκριμένη προσέγγιση επιτρέπει στους ερευνητές να εργάζονται χωρίς να επαναφέρουν το qubit στην αρχική του κατάσταση, κάτι που θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη πιο προηγμένων συστημάτων στο εγγύς μέλλον.
www.worldenergynews.gr
