Νέα επιστημονική ανακάλυψη αποκαλύπτει πώς εξαιρετικά ασταθή κβαντικά συστήματα μπορούν να γίνουν πιο αξιόπιστα, ανοίγοντας τον δρόμο για επαναστατικές εφαρμογές σε τεχνολογία, ιατρική και ασφάλεια δεδομένων
Τα κβαντικά συστήματα αναμένεται να επιταχύνουν ριζικά την τεχνολογική πρόοδο. Το πρόβλημα είναι ότι τέτοιες τεχνολογίες είναι εξαιρετικά ασταθείς.
Ωστόσο, μια νέα ανακάλυψη δείχνει πώς μπορούν να γίνουν πιο αξιόπιστες.
Εύθραυστη δύναμη
Η κατάκτηση των κβαντικών τεχνολογιών θα μπορούσε να αλλάξει δραστικά τη ζωή μας. Οι επιστήμονες προβλέπουν άλματα στην ιατρική, την ενέργεια, τα logistics, την κρυπτογραφία, τη δημιουργία νέων υλικών και πολλούς ακόμη τομείς.
Ωστόσο, ένα θεμελιώδες πρόβλημα χωρίζει τη θεωρία από την πράξη: τα κβαντικά συστήματα είναι απίστευτα εύθραυστα.
Οποιαδήποτε ελάχιστη αλληλεπίδραση με το περιβάλλον - δονήσεις, μεταβολές θερμοκρασίας, ακόμη και ένα τυχαίο φωτόνιο - καταστρέφει την υπέρθεση και την κβαντική διεμπλοκή των qubits (κβαντικές μονάδες πληροφορίας).
Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αποσυνοχή. Τα qubits «ξεχνούν» γρήγορα την κβαντική τους κατάσταση και οι υπολογισμοί αποτυγχάνουν.
Για να προστατευθούν, τα συστήματα ψύχονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (−273°C), τοποθετούνται σε κενό και θωρακίζονται από ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Όμως ούτε αυτό αρκεί.
Έτσι, μεγάλο μέρος των πόρων ενός κβαντικού επεξεργαστή δεν αφιερώνεται στους υπολογισμούς, αλλά στη διόρθωση σφαλμάτων και στη συντήρηση.
Μία λύση είναι η δημιουργία των λεγόμενων τοπολογικών qubits. Η ιδέα είναι η αποθήκευση της κβαντικής πληροφορίας όχι στην κατάσταση ενός σωματιδίου, αλλά στις γεωμετρικές ιδιότητες του συστήματος, οι οποίες προστατεύονται από τοπικές παρεμβολές.
«Ο όρος "τοπολογία" προέρχεται από τα μαθηματικά», εξηγεί η Silke Bühler-Paschen, συν-συγγραφέας της νέας μελέτης.
«Για παράδειγμα, ένα μήλο είναι τοπολογικά ισοδύναμο με ένα ψωμάκι, γιατί μπορείς να το παραμορφώσεις χωρίς δραστικές αλλαγές. Όμως ένα ψωμάκι διαφέρει από ένα ντόνατ, γιατί το ντόνατ έχει τρύπα που δεν δημιουργείται χωρίς ριζική μεταβολή».
Παρόμοια μπορούν να περιγραφούν και οι καταστάσεις της ύλης: η ταχύτητα, η ενέργεια των σωματιδίων, ακόμη και ο προσανατολισμός του spin τους υπακούουν σε γεωμετρικούς κανόνες. Αυτό τις καθιστά εξαιρετικά σταθερές.
Μικρές ατέλειες στο υλικό δεν αλλάζουν αυτές τις ιδιότητες - όπως ακριβώς μικρές παραμορφώσεις δεν μετατρέπουν ένα ντόνατ σε μήλο.
Γι’ αυτό τα τοπολογικά φαινόμενα θεωρούνται εξαιρετικά ελπιδοφόρα για την αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας. Και τώρα, έγινε μια σημαντική ανακάλυψη σε αυτόν τον τομέα.
Χάος και σταθερότητα
Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας της Βιέννης πραγματοποίησε πείραμα με υλικό που αποτελείται από κερίο, ρουθήνιο και κασσίτερο (CeRu₄Sn₆). Ανακάλυψαν μια κατάσταση της ύλης που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατη.
Το υλικό ψύχθηκε σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, φτάνοντας σε κρίσιμη κατάσταση. Σε κβαντικό επίπεδο, ξεκίνησε μια διαδικασία παρόμοια με το πάγωμα ή το βρασμό του νερού.
Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονταν χαοτικά, μεταβαίνοντας συνεχώς από κατάσταση σε κατάσταση και αλληλεπιδρώντας πολύπλοκα, χάνοντας τις γνωστές ιδιότητες μεμονωμένων σωματιδίων.
Ταυτόχρονα όμως, μέσα σε αυτό το εσωτερικό «χάος», το υλικό εμφάνισε γεωμετρική σταθερότητα. Οι φυσικοί κατέγραψαν μια τοπολογική κατάσταση που το καθιστά ανθεκτικό σε εξωτερικές επιδράσεις.
Το αποτέλεσμα ήταν απρόσμενο, καθώς μέχρι σήμερα η τοπολογία και η κβαντική κρισιμότητα μελετούνταν ξεχωριστά και σε διαφορετικά υλικά. Η ανακάλυψη έδειξε ότι οι δύο αυτές κβαντικές καταστάσεις συνδέονται άμεσα.
Κρίσιμο στοιχείο ήταν η ανίχνευση αυθόρμητου φαινομένου Hall. Συνήθως απαιτείται εξωτερικός μαγνήτης για να εκτραπεί το ηλεκτρικό ρεύμα.
Στο CeRu₄Sn₆, όμως, το φαινόμενο εμφανίστηκε χωρίς μαγνητικό πεδίο - κλασικό γνώρισμα τοπολογικού υλικού. Το πιο εντυπωσιακό: το σήμα ήταν ισχυρότερο στο «κέντρο» της κβαντικά κρίσιμης κατάστασης, όπου οι διακυμάνσεις είναι μέγιστες.
«Πρόκειται για ένα θεμελιώδες βήμα μπροστά. Η εργασία μας δείχνει ότι ισχυρά κβαντικά φαινόμενα μπορούν να συνδυαστούν και να δημιουργήσουν κάτι εντελώς νέο», δήλωσε ο Qimiao Xi από το Πανεπιστήμιο Rice στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Όπως σημειώνουν οι συγγραφείς, τα τοπολογικά υλικά είναι ανθεκτικά σε διαταραχές, ενώ η κβαντική κρισιμότητα ενισχύει τη διεμπλοκή, καθιστώντας αυτή τη «υβριδική» κατάσταση ιδιαίτερα πολύτιμη για τον έλεγχο της κβαντικής συμπεριφοράς.
Πρώιμο στάδιο
Ωστόσο, είναι ακόμη πολύ νωρίς για πρακτικές εφαρμογές, τονίζει ο Alexey Rubtsov, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Correlated Quantum Systems στο Ρωσικό Κέντρο Κβαντικής Φυσικής.
«Πρόκειται για μια ενδιαφέρουσα θεμελιώδη ανακάλυψη, μια νέα φάση της ύλης. Αν σκεφτούμε τις δυνατότητες, το πρώτο που έρχεται στο μυαλό είναι η χρήση της σε αισθητήρες. Τα τοπολογικά υλικά αντιδρούν ασυνήθιστα σε εξωτερικά πεδία, επιτρέποντας τη δημιουργία εξαιρετικά ευαίσθητων αισθητήρων.
Μπορεί επίσης να ανοίξουν νέοι τρόποι μετάδοσης και αποθήκευσης κβαντικής πληροφορίας. Όμως η πρακτική εφαρμογή απέχει ακόμη πολύ», εξηγεί.
Ο ίδιος σημειώνει ότι και στη Ρωσία γίνεται σημαντική δουλειά στον τομέα αυτό, αν και η έρευνα παραμένει κυρίως θεωρητική και υπολογιστική, με περιορισμένα πειραματικά δεδομένα.
Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η κατάσταση θα βελτιωθεί, καθώς η κβαντική έρευνα στη Ρωσία έχει λάβει αυξημένη χρηματοδότηση και πολιτική στήριξη τα τελευταία χρόνια.
www.bankingnews.gr
Ωστόσο, μια νέα ανακάλυψη δείχνει πώς μπορούν να γίνουν πιο αξιόπιστες.
Εύθραυστη δύναμη
Η κατάκτηση των κβαντικών τεχνολογιών θα μπορούσε να αλλάξει δραστικά τη ζωή μας. Οι επιστήμονες προβλέπουν άλματα στην ιατρική, την ενέργεια, τα logistics, την κρυπτογραφία, τη δημιουργία νέων υλικών και πολλούς ακόμη τομείς.
Ωστόσο, ένα θεμελιώδες πρόβλημα χωρίζει τη θεωρία από την πράξη: τα κβαντικά συστήματα είναι απίστευτα εύθραυστα.
Οποιαδήποτε ελάχιστη αλληλεπίδραση με το περιβάλλον - δονήσεις, μεταβολές θερμοκρασίας, ακόμη και ένα τυχαίο φωτόνιο - καταστρέφει την υπέρθεση και την κβαντική διεμπλοκή των qubits (κβαντικές μονάδες πληροφορίας).
Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αποσυνοχή. Τα qubits «ξεχνούν» γρήγορα την κβαντική τους κατάσταση και οι υπολογισμοί αποτυγχάνουν.
Για να προστατευθούν, τα συστήματα ψύχονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (−273°C), τοποθετούνται σε κενό και θωρακίζονται από ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Όμως ούτε αυτό αρκεί.
Έτσι, μεγάλο μέρος των πόρων ενός κβαντικού επεξεργαστή δεν αφιερώνεται στους υπολογισμούς, αλλά στη διόρθωση σφαλμάτων και στη συντήρηση.
Μία λύση είναι η δημιουργία των λεγόμενων τοπολογικών qubits. Η ιδέα είναι η αποθήκευση της κβαντικής πληροφορίας όχι στην κατάσταση ενός σωματιδίου, αλλά στις γεωμετρικές ιδιότητες του συστήματος, οι οποίες προστατεύονται από τοπικές παρεμβολές.
«Ο όρος "τοπολογία" προέρχεται από τα μαθηματικά», εξηγεί η Silke Bühler-Paschen, συν-συγγραφέας της νέας μελέτης.
«Για παράδειγμα, ένα μήλο είναι τοπολογικά ισοδύναμο με ένα ψωμάκι, γιατί μπορείς να το παραμορφώσεις χωρίς δραστικές αλλαγές. Όμως ένα ψωμάκι διαφέρει από ένα ντόνατ, γιατί το ντόνατ έχει τρύπα που δεν δημιουργείται χωρίς ριζική μεταβολή».
Παρόμοια μπορούν να περιγραφούν και οι καταστάσεις της ύλης: η ταχύτητα, η ενέργεια των σωματιδίων, ακόμη και ο προσανατολισμός του spin τους υπακούουν σε γεωμετρικούς κανόνες. Αυτό τις καθιστά εξαιρετικά σταθερές.
Μικρές ατέλειες στο υλικό δεν αλλάζουν αυτές τις ιδιότητες - όπως ακριβώς μικρές παραμορφώσεις δεν μετατρέπουν ένα ντόνατ σε μήλο.
Γι’ αυτό τα τοπολογικά φαινόμενα θεωρούνται εξαιρετικά ελπιδοφόρα για την αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας. Και τώρα, έγινε μια σημαντική ανακάλυψη σε αυτόν τον τομέα.
Χάος και σταθερότητα
Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας της Βιέννης πραγματοποίησε πείραμα με υλικό που αποτελείται από κερίο, ρουθήνιο και κασσίτερο (CeRu₄Sn₆). Ανακάλυψαν μια κατάσταση της ύλης που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατη.
Το υλικό ψύχθηκε σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, φτάνοντας σε κρίσιμη κατάσταση. Σε κβαντικό επίπεδο, ξεκίνησε μια διαδικασία παρόμοια με το πάγωμα ή το βρασμό του νερού.
Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονταν χαοτικά, μεταβαίνοντας συνεχώς από κατάσταση σε κατάσταση και αλληλεπιδρώντας πολύπλοκα, χάνοντας τις γνωστές ιδιότητες μεμονωμένων σωματιδίων.
Ταυτόχρονα όμως, μέσα σε αυτό το εσωτερικό «χάος», το υλικό εμφάνισε γεωμετρική σταθερότητα. Οι φυσικοί κατέγραψαν μια τοπολογική κατάσταση που το καθιστά ανθεκτικό σε εξωτερικές επιδράσεις.
Το αποτέλεσμα ήταν απρόσμενο, καθώς μέχρι σήμερα η τοπολογία και η κβαντική κρισιμότητα μελετούνταν ξεχωριστά και σε διαφορετικά υλικά. Η ανακάλυψη έδειξε ότι οι δύο αυτές κβαντικές καταστάσεις συνδέονται άμεσα.
Κρίσιμο στοιχείο ήταν η ανίχνευση αυθόρμητου φαινομένου Hall. Συνήθως απαιτείται εξωτερικός μαγνήτης για να εκτραπεί το ηλεκτρικό ρεύμα.
Στο CeRu₄Sn₆, όμως, το φαινόμενο εμφανίστηκε χωρίς μαγνητικό πεδίο - κλασικό γνώρισμα τοπολογικού υλικού. Το πιο εντυπωσιακό: το σήμα ήταν ισχυρότερο στο «κέντρο» της κβαντικά κρίσιμης κατάστασης, όπου οι διακυμάνσεις είναι μέγιστες.
«Πρόκειται για ένα θεμελιώδες βήμα μπροστά. Η εργασία μας δείχνει ότι ισχυρά κβαντικά φαινόμενα μπορούν να συνδυαστούν και να δημιουργήσουν κάτι εντελώς νέο», δήλωσε ο Qimiao Xi από το Πανεπιστήμιο Rice στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Όπως σημειώνουν οι συγγραφείς, τα τοπολογικά υλικά είναι ανθεκτικά σε διαταραχές, ενώ η κβαντική κρισιμότητα ενισχύει τη διεμπλοκή, καθιστώντας αυτή τη «υβριδική» κατάσταση ιδιαίτερα πολύτιμη για τον έλεγχο της κβαντικής συμπεριφοράς.
Πρώιμο στάδιο
Ωστόσο, είναι ακόμη πολύ νωρίς για πρακτικές εφαρμογές, τονίζει ο Alexey Rubtsov, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Correlated Quantum Systems στο Ρωσικό Κέντρο Κβαντικής Φυσικής.
«Πρόκειται για μια ενδιαφέρουσα θεμελιώδη ανακάλυψη, μια νέα φάση της ύλης. Αν σκεφτούμε τις δυνατότητες, το πρώτο που έρχεται στο μυαλό είναι η χρήση της σε αισθητήρες. Τα τοπολογικά υλικά αντιδρούν ασυνήθιστα σε εξωτερικά πεδία, επιτρέποντας τη δημιουργία εξαιρετικά ευαίσθητων αισθητήρων.
Μπορεί επίσης να ανοίξουν νέοι τρόποι μετάδοσης και αποθήκευσης κβαντικής πληροφορίας. Όμως η πρακτική εφαρμογή απέχει ακόμη πολύ», εξηγεί.
Ο ίδιος σημειώνει ότι και στη Ρωσία γίνεται σημαντική δουλειά στον τομέα αυτό, αν και η έρευνα παραμένει κυρίως θεωρητική και υπολογιστική, με περιορισμένα πειραματικά δεδομένα.
Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η κατάσταση θα βελτιωθεί, καθώς η κβαντική έρευνα στη Ρωσία έχει λάβει αυξημένη χρηματοδότηση και πολιτική στήριξη τα τελευταία χρόνια.
www.bankingnews.gr
Σχόλια αναγνωστών