Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς τη μεγάλης κλίμακας κατανεμημένη κβαντική πληροφορική, επιδεικνύοντας την πρώτη επιτυχή κβαντική τηλεμεταφορά μιας ελεγχόμενης κβαντικής πύλης μεταξύ δύο μονάδων.
Η μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature δεν ισχυρίζεται ότι είναι η πρώτη που επιτυγχάνει κβαντική τηλεμεταφορά, μιας και οι επιστήμονες τηλεμεταφέρουν κβαντικές καταστάσεις εδώ και χρόνια. Αυτό που είναι καινούργιο είναι η ντετερμινιστική (π.χ., όταν εγκαθιδρυθεί η διεμπλοκή, η τηλεμεταφορά είναι πάντα επιτυχής) και επαναλαμβανόμενη τηλεμεταφορά μιας κβαντικής λογικής πύλης.
«Οι προηγούμενες επιδείξεις της κβαντικής τηλεμεταφοράς επικεντρώνονταν στη μεταφορά κβαντικών καταστάσεων μεταξύ φυσικά διαχωρισμένων συστημάτων», δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Dougal Main, μεταπτυχιακός φοιτητής στο τμήμα Φυσικής της Οξφόρδης. «Στη μελέτη μας, χρησιμοποιούμε την κβαντική τηλεμεταφορά για να δημιουργήσουμε αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των απομακρυσμένων συστημάτων».
Οι κβαντικές πύλες (τα δομικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών) χειρίζονται τις καταστάσεις των qubit. Η ομάδα της Οξφόρδης ισχυρίζεται ότι έχει τηλεμεταφέρει ντετερμινιστικά μια θεμελιώδη κβαντική πύλη δύο qubit σε δύο μέτρα οπτικής ίνας, συνδέοντας δύο ξεχωριστές κβαντικές μονάδες.
«Μία από τις βασικές πτυχές του αποτελέσματός μας είναι ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο διαχωρισμένων qubits μπορούν να γίνουν ντετερμινιστικά, ακόμη και αν η φωτονική σύνδεση που συνδέει τις δύο μονάδες παρουσιάζει απώλειες», εξήγησε ο Main. «Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τους κβαντικούς υπολογισμούς, καθώς αν αυτές οι αλληλεπιδράσεις ήταν πιθανοτικές (δηλαδή επιρρεπείς σε αποτυχίες), τότε για μεγάλους υπολογισμούς, η πιθανότητα επιτυχούς ολοκλήρωσης ενός υπολογισμού χωρίς αποτυχίες γίνεται εκθετικά μικρή».
«Τηλεμεταφέρουμε ντετερμινιστικά μια πύλη ελεγχόμενου-Ζ (CZ) μεταξύ δύο qubits κυκλώματος σε ξεχωριστές μονάδες, επιτυγχάνοντας 86% πιστότητα», ανέφερε η ομάδα στην εργασία της. Η εργασία τους σηματοδοτεί «την πρώτη εφαρμογή ενός κατανεμημένου κβαντικού αλγορίθμου που περιλαμβάνει αρκετές μη τοπικές πύλες δύο qubit». Αυτό το επίτευγμα μας επιτρέπει να «συνδέσουμε» αποτελεσματικά διαφορετικούς κβαντικούς επεξεργαστές σε έναν ενιαίο, πλήρως συνδεδεμένο κβαντικό υπολογιστή.
Αυτό που καθιστά το επίτευγμα σημαντικό είναι η δυνατότητά του να αντιμετωπίσει την πρόκληση της επεκτασιμότητας των κβαντικών υπολογιστών. Σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, ένας πρακτικός κβαντικός υπολογιστής που θα είναι αρκετά ισχυρός ώστε να προκαλέσει ανατροπές στη βιομηχανία, θα πρέπει να είναι ικανός να επεξεργάζεται εκατομμύρια qubits, γεγονός που τον καθιστά απαγορευτικά μεγάλο και πολύπλοκο. Η προσέγγιση που επέδειξε η ομάδα του Main δείχνει πώς η κατανομή των κβαντικών λειτουργιών σε μικρότερες, διασυνδεδεμένες συσκευές - καθεμία από τις οποίες χειρίζεται μόνο μερικά qubits - θα μπορούσε να αποτελέσει μια κλιμακούμενη πορεία προς τα εμπρός για την κατασκευή κβαντικών συστημάτων μεγάλης κλίμακας.
Η ομάδα όχι μόνο πέτυχε την τηλεμεταφορά κβαντικής πύλης, αλλά και επέδειξε τον αλγόριθμο του Grover, έναν κβαντικό αλγόριθμο αναζήτησης που έχει σχεδιαστεί για να επιταχύνει τις αναζητήσεις σε αδόμητα δεδομένα, χρησιμοποιώντας λιγότερα ερωτήματα στο πλαίσιο του πειράματός της.
«Στην περίπτωση των δύο qubit, υπάρχουν τέσσερα στοιχεία για αναζήτηση. Κλασικά, το στοιχείο α θα μπορούσε να εντοπιστεί με, κατά μέσο όρο, δύο ερωτήματα», ανέφεραν οι συγγραφείς της εργασίας. «Χρησιμοποιώντας το κβαντικό κύκλωμα ... η ίδια εργασία μπορεί να επιτευχθεί με ένα μόνο ερώτημα». Η ομάδα πέτυχε ποσοστό επιτυχίας 71% με το Grover's, και επέδειξε επίσης κατανεμημένες πύλες iSWAP και SWAP.
«Στο πείραμά μας, συνδέσαμε δύο κβαντικούς υπολογιστές παγιδευμένων ιόντων που βρίσκονταν σε απόσταση δύο μέτρων μεταξύ τους», δήλωσε ο Main. «Δεν υπάρχει κανένα θεμελιώδες όριο στο πόσο μακριά μπορούν να απέχουν μεταξύ τους», πρόσθεσε ο Main, αν και επισήμανε ότι οι μεγαλύτερες αποστάσεις προκαλούν απώλεια σήματος που μπορεί να επιβραδύνει τις λειτουργίες. Μια πιθανή λύση είναι τα κβαντικά repeaters, τα οποία έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο τα τελευταία χρόνια.
«Ένα βασικό πλεονέκτημα, όμως, είναι ότι αυτές οι απώλειες δεν καταστρέφουν καμία κβαντική πληροφορία», πρόσθεσε ο Main. «Με την τηλεμεταφορά μέσω πύλης, εκτελείτε το τελικό βήμα της διαδικασίας μόνο όταν έχει δημιουργηθεί επιτυχώς η διεμπλοκή».
Όμως, με απόσταση δύο μέτρων μεταξύ τους και μόλις 86% πιστότητα, η εργασία της ομάδας του Main δεν είναι ακριβώς έτοιμη για την κατασκευή χρησιμοποιήσιμων κατανεμημένων κβαντικών υπολογιστών ακόμα. «Τυπικά, θα θέλαμε πύλες διεμπλοκής με πιστότητα πάνω από 99%»
Τούτου λεχθέντος, ο Main σημείωσε ότι η εργασία του είναι μια απόδειξη της έννοιας που δείχνει ότι μια προσέγγιση κατανεμημένων κβαντικών υπολογιστών λειτουργεί. Τώρα χρειαζόμαστε απλώς χρόνο, χρήματα και περισσότερη έρευνα για να βελτιώσουμε την πιστότητα.
«Οι πρώτοι κβαντικοί υπολογιστές είχαν σχετικά χαμηλή πιστότητα, αλλά έχουν βελτιωθεί σημαντικά τις τελευταίες δύο δεκαετίες», δήλωσε ο Main. «Με τις αυξανόμενες εμπορικές επενδύσεις στις κβαντικές τεχνολογίες, αναμένουμε ταχεία πρόοδο για τους διαμοιραζόμενους κβαντικούς υπολογιστές. Ορισμένες εταιρείες προχωρούν ήδη στην ανάπτυξη αυτού του είδους αρχιτεκτονικής».
Δεν είναι σαφές πόσος χρόνος θα χρειαστεί για να επιτευχθεί αυτή η βελτιωμένη πιστότητα. Η ερευνητική ομάδα ελπίζει ότι το έργο της θα οδηγήσει στους κατανεμημένους κβαντικούς υπολογιστές, στο κβαντικό διαδίκτυο, στη βελτίωση της κρυπτογραφίας, της φυσικής και σε πολλά άλλα.
Πέρα από τη βελτίωση του ποσοστού σφάλματος, η κβαντική επεξεργασία πληροφοριών σε ένα δίκτυο είναι εφικτή με τη χρήση της τρέχουσας τεχνολογίας, σημείωσε ο καθηγητής David Lucas, κύριος ερευνητής της ομάδας του Main.
«Η κλιμάκωση των κβαντικών υπολογιστών παραμένει μια τρομερή τεχνική πρόκληση που πιθανότατα θα απαιτήσει νέες γνώσεις της Φυσικής, καθώς και εντατική μηχανική προσπάθεια τα επόμενα χρόνια», δήλωσε ο Lucas, επικεφαλής επιστήμονας του βρετανικού κόμβου κβαντικών υπολογιστών και προσομοίωσης στην Οξφόρδη. Ωστόσο, «το πείραμά μας αποδεικνύει ότι η δικτυακά κατανεμημένη κβαντική επεξεργασία πληροφοριών είναι εφικτή με την τρέχουσα τεχνολογία».
[via]
