Ένα από τα σημαντικότερα επιστημονικά πεδία της εποχής μας είναι η έρευνα σχετικά με τους κβαντικούς υπολογιστές. Έχουν κατασκευαστεί ήδη κβαντικοί υπολογιστές που εκτελούν λειτουργίες υψηλής πιστότητας, χρησιμοποιώντας ως θεμελιώδη μονάδα εγγραφής κβαντικά συστήματα υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, οπτικά συμβολόμετρα, παγιδευμένα ιόντα και ουδέτερα άτομα.

Υπενθυμίζεται ότι στους γνωστούς κλασικούς υπολογιστές η βασική μονάδα πληροφορίας εγγραφής και επεξεργασίας της πληροφορίας στο δυαδικό σύστημα, με τα γνωστά ψηφία 0 και 1, χρησιμοποιείται ο όρος bit (binary digit). Το bit,  στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας, αποθηκεύεται σε κάποιο κλασικό φυσικό σύστημα που μπορεί να βρίσκεται σε δυο καταστάσεις όπως: οι δυο κατευθύνσεις μαγνήτισης, οι δυο θέσεις ενός διακόπτη, δυο τάσεις ηλεκτρικού ρεύματος κ.λπ. Στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα εγγραφής δεν είναι ένα κλασικό σύστημα αλλά κβαντικό. Για παράδειγμα ένα άτομο υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση, όπου το μηδέν αντιπροσωπεύεται από την ηλεκτρονιακή κατάσταση με σπιν πάνω και το ένα από την κατάσταση με σπιν κάτω. Συμβολίζουμε την κατάσταση με σπιν πάνω με |0> και την κατάσταση με σπιν κάτω με |1˃. Εφόσον το άτομο είναι ένα κβαντικό σύστημα, εκτός από τις δυο καταστάσεις |0> και |1>, θα είναι επίσης μια πραγματοποιήσιμη κατάσταση και κάθε γραμμικός συνδυασμός της μορφής |ψ> = α |0> + β |1>. όπου α²+ β²=1. Και εδώ βρίσκεται η πηγή της θεμελιώδους διαφοράς μεταξύ ενός κλασικού και ενός κβαντικού υπολογιστή. Ότι στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα μνήμης μπορεί να βρίσκεται όχι μόνο στις καταστάσεις 0 και 1 αλλά και σε κάθε δυνατή επαλληλία τους. Έτσι στην περίπτωση των κβαντικών υπολογιστών μιλάμε για qubit (quantum bit) ή κβαντοδυφία.

Δύο ανεξάρτητες ομάδες των ερευνητών (Jeff Thompson et al και Kaufman et al), παρουσίασαν πρόσφατα ένα νέο είδος κβαντοδυφίων (qubits) από ουδέτερα άτομα για κβαντικούς υπολογιστές. Τα χαρακτηριστικά αυτών των qubits επιτρέπουν την αποθήκευση και τον εύκολο χειρισμό των κβαντικών πληροφοριών.

Τα qubits από ουδέτερα ατόμα αποθηκεύουν πληροφορίες στις καταστάσεις των σπιν τους. Στα περισσότερα πειράματα με ουδέτερα άτομα χρησιμοποιούνται συνήθως αλκαλικά μέταλλα, για τα οποία οι απαραίτητες τεχνικές παγίδευσης και ψύξης είναι πολύ προηγμένες. Ωστόσο, τα άτομα αυτά έχουν ένα μειονέκτημα: οι καταστάσεις σπιν που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών μπορεί να αλλοιωθούν από το πεδίο φωτός που χρησιμοποιείται για την παγίδευση των ατόμων. Ως εναλλακτική λύση, οι φυσικοί έχουν πειραματιστεί με άτομα αλκαλικών γαιών, τα οποία μπορούν να αποθηκεύουν πληροφορίες ασφαλέστερα στις καταστάσεις πυρηνικού σπιν τους. Αυτή η δυνατότητα έχει εφαρμοστεί στο στρόντιο-87 (⁸⁷Sr), αλλά οι πολλαπλές καταστάσεις του μεγάλου πυρηνικού σπιν αυτού του ισοτόπου, κάνουν δύσκολη την χρήση του για την υλοποίηση ενός απλού qubit δύο καταστάσεων.

Στα πειράματά τους οι Thompson, Kaufman και οι συνεργάτες τους, χρησιμοποίησαν άτομα υττερβίου-171 (¹⁷¹Yb). Όπως στα άτομα ⁸⁷Sr, οι καταστάσεις σπιν των ατόμων ¹⁷¹Yb ‘αντέχουν’ στις διαταραχές από την οπτική παγίδα. Αλλά σε αντίθεση με τα άτομα ⁸⁷Sr, τα άτομα ¹⁷¹Yb έχουν πυρηνικό σπιν 1/2, καθιστώντας ευκολότερο τον χειρισμό των qubits που προκύπτουν από το σπιν αυτού του ισοτόπου.

Tα άτομα ¹⁷¹Yb μπορούν να ψυχθούν και να παγιδευτούν χρησιμοποιώντας οπτικές λαβίδες και τα σπιν των πυρήνων τους μπορούν να ελεγχθούν και να μετρηθούν χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Επιπλέον, απεδείχθη πως μπορεί να σχηματιστεί γρήγορα ένα πλέγμα ατόμων ¹⁷¹Yb δέκα επί δέκα, με λίγες ατέλειες και στη συνέχεια να ψυχθεί σχεδόν απόλυτο μηδέν, ώστε να χρησιμοποιηθούν ως κβαντοδυφία υψηλής πιστότητας.

Αν και οι κβαντικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούν ουδέτερα άτομα ως qubits, δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί τόσο διεξοδικά όσο άλλα συστήματα, οι πρόσφατες πρόοδοι στις τεχνικές χειρισμού ατόμων δείχνουν ότι έρχεται η σειρά τους. Ο Kaufman πιστεύει ότι οι φυσικοί θα είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν τις ποικίλες ενεργειακές δομές διαφορετικών ατόμων και να τις χρησιμοποιήσουν στους κβαντικούς υπολογιστές που μπορούν να διευρυνθούν και να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές όπως η μετρολογία. Και σύμφωνα με τον Thompson, έχει δειχθεί ότι οι καταστάσεις του πυρηνικού σπιν των ατόμων ¹⁷¹Yb προσφέρουν μια ιδιαίτερα αποτελεσματική μέθοδο διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων.

πηγή: https://physics.aps.org/articles/v15/s55

Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ

Ετικέτες: ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ, PHYSICS