Τι είναι qubit

Έτσι ονομάζεται η βασική μονάδα μνήμης των κβαντικών υπολογιστών. Στους γνωστούς κλασικούς υπολογιστές η βασική μονάδα 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).

Το πρόβλημα των qubits που χρησιμοποιούν σήμερα εταιρείες όπως η Google και η IBM (π.χ. υπεραγώγιμα qubits) είναι εξαιρετικά ευαίσθητα. Η παραμικρή αλλαγή στη θερμοκρασία, μια ανεπαίσθητη δόνηση ή ο ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος του περιβάλλοντος μπορεί να καταστρέψει την κβαντική τους κατάσταση – να προκαλέσει την επονομαζόμενη αποσυμφώνηση (decoherence)^[*].

Τι είναι τοπολογικό qubit

Πρόκειται για έναν θεωρητικό τύπο qubit, ο οποίος σχεδιάζεται έτσι ώστε να έχει ενσωματωμένη «ανοσία» στα σφάλματα. Τα τοπολογικά qubits δεν αποθηκεύουν τις πληροφορίες σε ένα μεμονωμένο σωματίδιο (όπως ένα ηλεκτρόνιο ή φωτόνιο), αλλά «συνολικά» στην τοπολογία (τη μαθηματική και φυσική δομή) του συστήματος. Για να το πετύχουν αυτό, χρησιμοποιούν οιονεί σωματίδια (quasiparticles) που ονομάζονται Majorana zero modes, τα οποία εμφανίζονται στα άκρα υπεραγώγιμων νανοκαλωδίων. Μπορούμε να πούμε ότι η αποθήκευση της κβαντικής πληροφορίας είναι όπως ένας κόμπος σε ένα κορδόνι: ακόμα κι αν κουνήσουμε ή τεντώσουμε ελαφρά το κορδόνι (θόρυβος), ο κόμπος δεν λύνεται. Οι λειτουργίες γίνονται με την «πλέξη» αυτών των σωματιδίων μεταξύ τους.

Διαθέτει η Μicrosoft τοπολογικό qubit;

Η Microsoft, σε αντίθεση με τους ανταγωνιστές της, έχει ποντάρει εδώ και σχεδόν δύο δεκαετίες ολόκληρη την κβαντική της στρατηγική αποκλειστικά στα τοπολογικά qubits, επειδή, αν κατασκευαστούν, θα λύσουν ριζικά το πρόβλημα των σφαλμάτων στους κβαντικούς υπολογιστές. Σε άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature με τίτλο «Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices» οι ερευνητές της Microsoft υποστηρίζουν ότι οι διατάξεις της, ειδικά υβριδικά νανοκαλώδια, πέρασαν επιτυχώς το λεγόμενο «πρωτόκολλο τοπολογικού χάσματος» (topological gap protocol). Με απλά λόγια, σε αυτό το άρθρο η Microsoft επιχειρεί να αποδείξει επιστημονικά ότι δημιούργησε τις κατάλληλες συνθήκες για να κατασκευάσει ένα λειτουργικό τοπολογικό qubit.

Όμως, ειδικοί, όπως ο φυσικός Henry Legg, υποστηρίζουν ότι τα δεδομένα που παρουσίασε η Microsoft για να αποδείξει ότι δημιούργησε με επιτυχία τοπολογικά χάσματα δεν ευσταθούν. Η κριτική του δημοσιεύθηκε επίσης στο περιοδικό Nature με τίτλο «On the robustness of topological gap detection via transport» και υποστηρίζει ότι η Microsoft έκανε «επιλεκτική παρουσίαση δεδομένων» και υπέπεσε σε ερασιτεχνικά «βασικά σφάλματα κώδικα σε Python» κατά την ανάλυση των αποτελεσμάτων. Θεωρεί ότι το «τοπολογικό qubit» της Microsoft ίσως να είναι απλώς θόρυβος.

Σε δήλωσή του στο Scientific American, ο εκπρόσωπος της Microsoft, Chetan Nayak, δήλωσε: «Εμμένουμε στα αποτελέσματά μας και στον οδικό μας χάρτη. Στο τέλος της ημέρας, η επιτυχία είναι η παράδοση ενός κλιμακούμενου κβαντικού υπολογιστή (…). Ο σκεπτικισμός και η αυστηρότητα είναι χαρακτηριστικά γνωρίσματα της επιστημονικής διαδικασίας, τα οποία εκτιμούμε και έχουμε υποστηρίξει. Έχουμε συμμετάσχει σε διάλογο και η ενδελεχής ανασκευή μας έγινε αποδεκτή και δημοσιεύτηκε από το Nature».

Η κριτική, για την οποία η Microsoft γνώριζε εδώ και καιρό ότι θα δημοσιευόταν στο Nature, έρχεται αμέσως μετά την αποκάλυψη από την εταιρεία του τσιπ «Majorana 2» και ενός επικαιροποιημένου χρονοδιαγράμματος για την παραγωγή «κλιμακούμενου, πρακτικού κβαντικού υπολογισμού» μέχρι το τέλος της δεκαετίας. «Απλά δεν μπορούν να πουλήσουν τον οδικό χάρτη του 2029 ως αξιόπιστο στο κοινό όταν η υποκείμενη φυσική δεν είναι εκεί», λέει ο Legg.

Η κριτική του Henry Legg δημοσιεύθηκε στην ενότητα Matters Arising του περιοδικού Nature, η οποία δεν είναι απλώς μια ενότητα για σχόλια ή απόψεις αναγνωστών. Είναι ο επίσημος και αυστηρός μηχανισμός του κορυφαίου περιοδικού Nature, διαμέσου του οποίου ανεξάρτητοι επιστήμονες μπορούν να υποβάλουν μια τεκμηριωμένη, ακαδημαϊκή ανασκευή μιας έρευνας που έχει ήδη δημοσιευτεί. Σύμφωνα με τον φυσικό Sergey Frolov από το Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ, το «Matters Arising» καθιστά οδυνηρά προφανές ότι η δημοσίευση της Microsoft στο Nature δεν έχει καμία επιστημονική αξία και είναι πιθανό να ανακληθεί.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:Top quantum computer expert claims Microsoft’s ‘topological qubit’ doesn’t hold up – https://www.scientificamerican.com/article/top-quantum-computer-expert-claims-microsofts-topological-qubit-doesnt-hold-up/

[*] Ο όρος decoherence αποδίδεται συνήθως ως αποσυνοχή. Όμως, όπως έχει επισημάνει ο Στέφανος Τραχανάς, ο όρος αυτός παραπέμπει στον όρο συνοχή που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τις ενδομοριακές δυνάμεις. Επιπλέον, όταν υπολογίζουμε την μέση τιμή κβαντομηχανικών μεγεθών προκύπτουν οι όροι συμβολής, στους οποίους οφείλεται η χαρακτηριστική διαφορά των κβαντομηχανικών μέσων τιμών με ανάλογα κλασικά στατιστικά μεγέθη. Όταν η κβαντική επαλληλία κβαντικών καταστάσεων διαταράσσεται από τις εξωτερικές επιδράσεις, μεταβάλλεται η διαφορά φάσης των όρων της καταστρέφοντας τη συμβολή. Τότε λέμε ότι συμβαίνει απώλεια συμφωνίας (απο-συμφώνηση) και η μέση τιμή των κβαντικών μεγεθών είναι πλέον παρόμοια με την κλασική στατιστική. Και γι αυτό προτιμάται ο όρος αποσυμφώνηση.

Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ

Ετικέτες: ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ, PHYSICS