Κβαντοπληροφορική ante portas!

Οι δύο αυτές περίεργες ιδιότητες των κβάντων αρκούν για να κάνουν μια κολοσσιαία διαφορά στις δυνατότητες υπολογισμών μας. Για παράδειγμα, εκεί που 100 bits μετρούν 100 κομμάτια πληροφορίας ανά στιγμή, τα 100 qubits μετρούν 2 στην 100ή κομμάτια πληροφορίας, πράγμα που ισοδυναμεί περίπου με το 10 ακολουθούμενο από 30 μηδενικά. Αν, δηλαδή, ο τωρινός σας υπολογιστής έχει μνήμη 16 δισ. bits (2 GBytes), φαντασθείτε τι θα μπορούσε να κάνει με 16 δισ. qubits! Αλλά πώς φθάσαμε να συζητούμε την υλοποίηση ενός τέτοιου ονείρου και πού βρισκόμαστε σήμερα;

Κατά τον Αϊνστάιν: «απόκοσμη δράση»

Το πέρασμα από τη θεωρία στην πράξη ξεκίνησε το 1935, όταν οι φυσικοί Αϊνστάιν, Ποντόλσκι και Ρόζεν προχώρησαν στο σήμερα γνωστό ως «πείραμα EPR» (από τα αρχικά των επωνύμων τους) με στόχο να αποδείξουν ότι η κβαντική θεωρία δίνει ατελή άποψη της πραγματικότητας. Δημιούργησαν ένα σύστημα αποτελούμενο από δύο σωματίδια Α και Β, μηδενικής ολικής στροφορμής (spin), τα οποία είχαν αλληλεπιδράσει για μικρό χρονικό διάστημα και αποχωρίστηκαν ώστε να διατηρείται η ολική τους στροφορμή σταθερή. Μετά τον χωρισμό τους μέτρησαν μία από τις συνιστώσες στροφορμής του σωματιδίου Α. Μπόρεσαν τότε –χωρίς να πραγματοποιήσουν καμία μέτρηση στο Β –να προβλέψουν με βεβαιότητα ότι η τιμή της αντίστοιχης συνιστώσας του θα είναι αντίθετη αυτής του Α.

Κατά τον Αϊνστάιν, η δυνατότητα πρόβλεψης μιας τιμής του Β αποδεικνύει πως η κβαντική θεωρία δεν είναι πλήρης, αφού δεν εξηγεί τον τρόπο με τον οποίο το ένα σωματίδιο επηρεάζει το άλλο. Αν δεχθούμε ότι η στροφορμή αυτού που μετράμε δεν είναι καθορισμένη αλλά ορίζεται τη στιγμή της μέτρησης, τότε το σωματίδιο αυτό θα πρέπει ακαριαία να καθορίζει την τιμή της στροφορμής του άλλου, όσο μακριά του και αν βρίσκεται. Οπως δήλωσε ο Αϊνστάιν, ένα τέτοιο ζευγάρωμα προϋποθέτει «απόκοσμη δράση από απόσταση». Εννοείται ότι μια τέτοια αλληλεπίδραση –ταχύτερη από το φως –έρχεται σε αντίθεση με τη Θεωρία της Σχετικότητας.

Ο Μπορ, όμως, ο θεμελιωτής της Κβαντομηχανικής, επέμεινε ότι αυτή η συσχέτιση, η διεμπλοκή, συνιστά μια ιδιότητα του πραγματικού κόσμου. Ανεξάρτητα από τη μεταξύ τους απόσταση, τα συσχετισμένα σωματίδια αποτελούν θεμελιώδη τμήματα του ίδιου κβαντικού συστήματος και, χωρίς κανένα σήμα να ανταλλάσσεται μεταξύ τους, η γνώση της κβαντικής κατάστασης του ενός μάς αποκαλύπτει την κατάσταση και του άλλου. Στον κόσμο της Κβαντικής Φυσικής ένα φωτόνιο είναι συγχρόνως και ένα κύμα. Ως κύμα περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση στην οποία απεικονίζονται οι ιδιότητες του φωτονίου, όπως η συχνότητά του, η κατεύθυνσή του κ.τ.λ. Η κυματοσυνάρτηση δύο σωματιδίων αντιπροσωπεύει μια αδιάσπαστη ολότητα, συγκροτούμενη από δύο φωτόνια που έχουν χάσει την ατομικότητά τους εφόσον αποτελούν μέλη ζεύγους, και μας δίνει πληροφορίες από τον συσχετισμό των δύο φωτονίων.

Το 1993 μια ομάδα έξι επιστημόνων από τις ΗΠΑ, τον Καναδά και το Ισραήλ (οι C. Bennett, R. Jozsa, W. Wootters, G. Brassard, C. Crepeau και A.Peres) βρήκε τον τρόπο να ανιχνεύσει μέρος των πληροφοριών ενός σωματιδίου σε ένα άλλο σωματίδιο το οποίο δεν έχει έλθει ποτέ σε επαφή με το πρώτο. Οι ερευνητές ξεκίνησαν στέλνοντας έναν παλμό υπεριώδους φωτός σε ένα ειδικά διαμορφωμένο κρύσταλλο που «έσχισε στα δύο» ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας. Τα δύο φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας που προέκυψαν είχαν συμπληρωματική πόλωση –ήταν πλέον «ζευγάρι». Για να επιτευχθεί η τηλεμεταφορά χρησιμοποιήθηκε ένας «τρίτος», ένα φωτόνιο-παρατηρητής του… τανγκό του ζευγαριού.
Mε μια διαδικασία που μοιάζει με διαδοχικό φλερτ του τρίτου φωτονίου και με τα δύο μέλη του «ζεύγους» οι ερευνητές μπόρεσαν να οδηγήσουν το δεύτερο φωτόνιο ακριβώς στην ίδια κατάσταση πόλωσης που είχε το πρώτο προτού λάβει χώρα η μέτρηση. «Είναι σαν τα δύο φωτόνια να βρίσκονταν σε επικοινωνία μεταξύ τους, ανεξάρτητα από την απόσταση που τα χώριζε» δήλωσε ο καθηγητής Γουίλιαμ Γούτερς (William Wooters), ο οποίος συνέγραψε τη διατριβή που ενέπνευσε το πείραμα.

Το επόμενο μεγάλο άλμα ήλθε τον Οκτώβριο του 2006, όταν η ομάδα του Γιουτζίν Πόλζικ (Eugene Polzik) στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας (Caltech) κατόρθωσε όχι απλώς να τηλεμεταφέρει φωτόνια αλλά ένα πακέτο εκατοντάδων δισεκατομμυρίων ατόμων (10¹²) σε απόσταση μισού μέτρου. Αρχικά η ομάδα δημιούργησε τα «δίδυμα» στέλνοντας έναν ισχυρό παλμό φωτός σε έναν γυάλινο σωλήνα γεμάτο με ένα νέφος ατόμων αερίου καισίου (Caesium). Οι μαγνητικές στροφορμές της ύλης (των ατόμων του αερίου) είχαν ευθυγραμμιστεί μέσω ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου και το φως ήταν πολωμένο. Υπό αυτές τις συνθήκες το φως και τα άτομα αλληλοσυσχετίστηκαν, οπότε ο φωτεινός παλμός που βγήκε από τον σωλήνα ήταν «πεπλεγμένος» με τα άτομα του καισίου. Φθάνοντας στον δέκτη οι μετρήσεις έδειξαν ότι είχε επιτευχθεί η πρώτη τηλεμεταφορά μεταξύ ύλης (ατόμων καισίου) και φωτός και μάλιστα χωρίς την ως τότε απαραίτητη «καταστροφή του πομπού».

Το 2009 το Πανεπιστήμιο της Kαλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα ανακοίνωσε ότι, υπό την εποπτεία των καθηγητών A. N. Cleland και John M. Martinis, o φοιτητής A. D. O’ Connell είχε κατορθώσει να φτιάξει στη διδακτορική διατριβή του την πρώτη «κβαντική μηχανή», τον πρώτο μηχανικό συντονιστή κβάντων (βλ. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantummachine). Επειτα από μόλις δύο χρόνια, το 2011 (www.tovima.gr/science/technology-planet/article/?aid=418828), μάθαμε αφενός ότι μια καναδέζικη εταιρεία ονόματι D-Wave Systems πούλησε τον πρώτο κβαντικό υπολογιστή στην αμερικανική αμυντική βιομηχανία Lockheed Martin και, αφετέρου, ότι ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του Πανεπιστημίου της Kαλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα Matteo Mariantoni είχε κατασκευάσει τον πρώτο κβαντικό μικροεπεξεργαστή. Αλλά ο πρώτος συνέχιζε να καλύπτεται από πέπλα μυστικότητας και ο δεύτερος ήταν μόνο ο «εγκέφαλος» ενός μελλοντικού συστήματος χωρίς την απαραίτητη «μνήμη» για την καταχώριση της πληροφορίας και δυνατότητα επικοινωνίας. Χρειάζονταν να γίνουν και τα επόμενα απαραίτητα βήματα, που ολοκληρώθηκαν τους πέντε τελευταίους μήνες.

Η σύγχρονη επικοινωνία περιλαμβάνει τη μετάδοση της πληροφορίας μέσω φωτονίων που εκπέμπονται από λέιζερ και μεταδίδονται μέσω οπτικών ινών. Καθώς όμως η απόσταση που ταξιδεύουν τα φωτόνια αυξάνεται το σήμα εξασθενεί. Οπότε χρησιμοποιούνται ανά διαστήματα περίπου 100 χιλιομέτρων ενισχυτές λέιζερ που ενισχύουν το σήμα μέσω πολλαπλασιασμού των φωτονίων. Στις κβαντικές επικοινωνίες όμως σημασία έχουν τα μεμονωμένα φωτόνια και η κβαντική τους κατάσταση. Αρα, «ενίσχυση του σήματος» θα σήμαινε όχι απλώς αύξηση του αριθμού των φωτονίων αλλά και διατήρηση της αρχικής τους κβαντικής κατάστασης. Πώς θα μπορούσε να επιτευχθεί κάτι τέτοιο;

Κοινό μυστικό στους κύκλους των κβαντομηχανικών είναι ότι τα κεφάλαια χρηματοδότησης των ερευνών τους προέρχονται κατ’ εξοχήν από στρατιωτικούς και τραπεζικούς κύκλους που επιθυμούν διακαώς την πρακτική επίτευξη της απόλυτα ασφαλούς επικοινωνίας μέσω κβαντικής κρυπτογράφησης. Παρά την άφθονη χρηματοδότηση, όμως, δεν είχε βρεθεί ως πρόσφατα κάποιο ικανοποιητικό κύκλωμα μνήμης που θα διασφάλιζε την αναμετάδοση των πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις. Μέχρι που, τον Σεπτέμβριο του 2014, ήρθε το καλό μαντάτο από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας: κατόρθωσαν να φτιάξουν κβαντική μνήμη, που μάλιστα λειτουργεί σε κανονικές θερμοκρασίες (βλ. https://arxiv.org/abs/1406.6489).

«Η μεγαλύτερη πρόκληση στην κατασκευή της κβαντικής μνήμης ήταν η ακριβής επιλογή των παραμέτρων του συστήματος που θα του επέτρεπε να αποθηκεύει, να καταχωρίζει και να διαβάζει την κβαντική πληροφορία αποτελεσματικά. Επίσης βρήκαμε έναν νέο τρόπο για τη μείωση του θορύβου κατά τη διάρκεια της ανίχνευσης» δήλωσε ο επικεφαλής Wojciech Wasilewski. Και ο διδακτορικός φοιτητής που ανέπτυξε τη μνήμη Radek Chrapkiewicz συμπλήρωσε: «Ως τώρα η κβαντική μνήμη απαιτούσε ιδιαίτερα εξελιγμένο εξοπλισμό εργαστηρίου και σύνθετες τεχνικές ψύξης του συστήματος σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν το απόλυτο μηδέν. Η συσκευή ατομικής μνήμης που δημιουργήσαμε λειτουργεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, στην περιοχή των δεκάδων βαθμών Κελσίου, όπου είναι πολύ πιο εύκολο να διατηρηθεί».

Το κύριο σώμα της μνήμης είναι ένας γυάλινος σωλήνας διαμέτρου 2,5 cm και μήκους 10 cm, γεμάτος με ευγενές αέριο, με τοιχώματα που έχουν επικάλυψη ρουβιδίου. Οταν η κβαντική πληροφορία αποθηκεύεται σε μια τέτοια μνήμη, άλλα φωτόνια «αποτυπώνουν» τις κβαντικές τους καταστάσεις σε άτομα ρουβιδίου και άλλα επανεκπέμπονται. Από την ανίχνευση των διαφυγόντων φωτονίων επιβεβαιώνεται ότι οι πληροφορίες έχουν αποθηκευθεί.

Αντίστροφα, η ανάγνωση των αποθηκευμένων στη μνήμη πληροφοριών γίνεται μέσω της χρήσης άλλου ειδικά επιλεγμένου παλμού λέιζερ και μιας κάμερας με ειδικό οπτικό φίλτρο. Η σταθερότητα της κβαντικής πληροφορίας που είναι αποθηκευμένη στη μνήμη διαρκεί ως το πολύ κάποιες δεκάδες μικροδευτερόλεπτα. Μπορεί να ακούγεται φοβερά βραχύβια μια τέτοια απομνημόνευση, αλλά στον τομέα των τηλεπικοινωνιών επαρκεί για τη μετάδοση κβαντικού σήματος στον επόμενο κόμβο αναμετάδοσης.

Μέσω της πολωνέζικης ατομικής μνήμης οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν κατ’ αρχάς να επικοινωνούν μεταξύ τους στήνοντας ένα «κβαντικό Διαδίκτυο». Το σχήμα των φωτονίων, όμως, με άλλα λόγια το πώς η ενέργειά τους κατανέμεται συναρτήσει του χρόνου, είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχή μετάδοση των πληροφοριών. Αυτό το σχήμα απαιτείται να είναι συμμετρικό στον χρόνο, ενώ τα φωτόνια που εκπέμπονται από τα άτομα έχουν συνήθως ασύμμετρο σχήμα. Καθοριστική λοιπόν για την επίτευξη «κβαντικής διαδικτύωσης» είναι η ύπαρξη ενός κατάλληλου εξωτερικού ελέγχου της μορφής των φωτονίων.

Στο τεύχος της 15ης Δεκεμβρίου 2014 του περιοδικού «Nature» (www.nature.com/ncomms/2014/141215/ncomms6786/full/ncomms6786.html) ερευνητές του ολλανδικού Πολυτεχνείου του Αϊντχόβεν, TU/e, δημοσίευσαν ακριβώς μια τέτοια μέθοδο δυναμικού ελέγχου της μορφής των φωτονίων. Κατόρθωσαν να πάρουν τον απαιτούμενο βαθμό ελέγχου με την ενσωμάτωση μιας κβαντικής κουκκίδας (quantum dot: ένα κομμάτι ημιαγώγιμου υλικού που μπορεί να μεταδώσει φωτόνια) σε ένα «φωτονικό κρύσταλλο» δημιουργώντας έτσι μια οπτική κοιλότητα. Στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν έναν πολύ σύντομο ηλεκτρικό παλμό στην κοιλότητα ώστε να επηρεάσουν το πώς η κβαντική κουκκίδα αλληλεπιδρά με αυτόν και το πώς το φωτόνιο εκπέμπεται. Μεταβάλλοντας την ισχύ αυτού του παλμού διαπίστωσαν ότι ήταν σε θέση να ελέγχουν το σχήμα των μεταδιδόμενων φωτονίων.

Και ενώ οι ειδήσεις περί κβαντικής μνήμης και ελέγχου της μορφής των φωτονίων «άναβαν φωτιές» στα ιστολόγια των φυσικών, μια απανωτή δημοσίευση στο τεύχος της 7ης Ιανουαρίου του «Nature» (www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14025.html) έδειξε ότι οι εξελίξεις είναι πλέον καταιγιστικές: στην Αυστραλία ερευνητές του Australian National University και του University of Otago δημιούργησαν όχι απλώς μνήμη δευτερολέπτων αλλά… σκληρό δίσκο που αποθηκεύει την κβαντική πληροφορία για έξι ώρες!

Η ομάδα των εν λόγω φυσικών αποθήκευσε την κβαντική πληροφορία σε άτομα του σπάνιου στοιχείου ευρώπιο, ενσωματωμένα σε έναν κρύσταλλο. Η τεχνική τους, όπως υποστηρίζουν, επιτρέπει τη δημιουργία κβαντικών δικτύων σε έκταση περίπου 100 χιλιομέτρων. «Ο χρόνος αποθήκευσης που παίρνουμε είναι τόσο μεγάλος ώστε… ακόμη και αν μεταφέρουμε με τα πόδια τους κρυστάλλους μας θα έχουμε λιγότερες απώλειες από τα σημερινά συστήματα λέιζερ» δήλωσε περιχαρής η επικεφαλής δρ Manjin Zhong. «Μπορούμε τώρα να φανταστούμε την αποθήκευση πεπλεγμένων φωτονίων σε ξεχωριστούς κρυστάλλους και στη συνέχεια τη μεταφορά τους σε διάφορα μέρη του δικτύου χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά. Ετσι σκεφτόμαστε τους κρυστάλλους μας ως φορητούς οπτικούς δίσκους κβαντικής διεμπλοκής» κατέληξε.

Ο χρόνος-ρεκόρ της αποθήκευσης έξι ωρών εννοείται ότι είναι ένα κολοσσιαίο άλμα προς την κατεύθυνση ενός ασφαλούς παγκόσμιου δικτύου κρυπτογράφησης δεδομένων που πρωτίστως θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τις τραπεζικές συναλλαγές και τα προσωπικά μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. «Πιστεύουμε ότι σύντομα θα είναι δυνατόν να διανέμονται κβαντικές πληροφορίες μεταξύ δύο οποιωνδήποτε σημείων του πλανήτη» τόνισε επιγραμματικά η δρ Zhong.