Κβαντική πληροφορία: Οι κανόνες για ένα πολύπλοκο κβαντικό κόσμο
Άρθρο 5ο για την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας

Άρθρο του Michael A. Nielsen, από την ιστοσελίδα του Scientific American.com, Ιανουάριος 2004

1o, 2ο, 3ο, 4ο, 5ο

Η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων

Αρχικά φάνηκε ότι είναι αδύνατον να αναπτύξουμε κώδικες για την διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων, διότι η κβαντομηχανική μας απαγορεύει να μάθουμε με βεβαιότητα την άγνωστη κατάσταση ενός κβαντικού αντικειμένου - ξανά μπροστά μας το εμπόδιο στην προσπάθεια να έχουμε ως εξαγόμενο περισσότερα του ενός μπιτ από ένα qubit.

Ο κώδικας της απλής κλασσικής τριπλέτας συνεπώς αποτυγχάνει διότι δεν μπορούμε να εξετάσουμε κάθε αντίγραφο ενός qubit χωρίς να καταστρέψουμε όλα τα αντίγραφα κατά την διαδικασία αυτή. Ακόμη χειρότερα, το να φτιάξουμε αντίγραφα στην αρχική μας θέση δεν είναι απλό. Η κβαντομηχανική μας απαγορεύει να πάρουμε ένα άγνωστο qubit και να φτιάξουμε με αξιοπιστία ένα αντίγραφό του. Το αποτέλεσμα αυτό είναι γνωστό ως θεώρημα της αδυναμίας κλωνοποίησης. 

Η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων θα μπορούσε να βελτιώσει την ακρίβεια των καλύτερων ρολογιών του κόσμου.

Η κατάσταση έμοιαζε αδιέξοδη στα μέσα της δεκαετίας του 1990 όταν σπουδαίοι φυσικοί όπως ο Rolf Landauer της IBM έγραψαν κάποια κριτικά άρθρα που έλεγαν ότι η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων θα ήταν αναγκαία για τους κβαντικούς υπολογιστές, αλλά οι κλασσικοί κώδικες δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στον κβαντικό κόσμο. Το πεδίο αυτό οφείλει πολλά στην κριτική του Rolf Landauer επειδή υπέδειξε συγκεκριμένα προβλήματα αυτού του τύπου που έπρεπε να ξεπεραστούν. Βλέπε το άρθρο του Gary Stix στο Scientific American, του Σεπτεμβρίου 1998 με τίτλο: "Riding the Back of Electrons". 

Ευτυχώς, έξυπνες ιδέες που αναπτύχθηκαν ανεξάρτητα από τον Shor και τον Andrew M. Steane του πανεπιστημίου της Οξφόρδης το 1995, έδειξαν πως μπορούμε να κάνουμε κβαντική διόρθωση σφαλμάτων, χωρίς να μάθουμε ποτέ τις καταστάσεις των qubits ή να χρειαστεί να τις κλωνοποιήσουμε.

Όπως και με τον κώδικα της τριπλέτας, κάθε τιμή παριστάνεται με ένα σύνολο από qubits. Τα qubits αυτά περνάνε μέσα από ένα κύκλωμα ( το κβαντικό ανάλογο των λογικών πυλών ) το οποίο βρίσκει με επιτυχία ένα σφάλμα στα qubits χωρίς να "διαβάσει" πραγματικά ποιες είναι οι ξεχωριστές καταστάσεις. Είναι σαν κάποιος να περνούσε την τριπλέτα 010 μέσα από ένα κύκλωμα που θα εντόπιζε ότι το μεσαίο μπιτ ήταν διαφορετικό και θα το αντέστρεφε, χωρίς να μάθει ποτέ την ταυτότητα καθενός από τα τρία μπιτς ξεχωριστά (βλέπε και εικόνα 5)


Εικόνα 5.

Οι κώδικες διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων αποτελούν ένα θρίαμβο της επιστήμης. Κάτι που κοφτερά μυαλά πίστευαν πως δεν μπορεί να γίνει - η προστασία των κβαντικών καταστάσεων από τον θόρυβο - επιτεύχθηκε με τη χρήση ενός συνδυασμού ιδεών από την επιστήμη της πληροφορίας και από την βασική κβαντομηχανική. Οι τεχνικές αυτές έχουν τώρα επιβεβαιωθεί προκαταρκτικά με πειράματα που έγιναν στο Εθνικό Αμερικανικό εργαστήριο του Los Alamos, στην IBM, και στο MIT, ενώ σχεδιάζονται πιο εκτεταμένα πειράματα. 

Η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων έχει δημιουργήσει επίσης πολλές ενδιαφέρουσες νέες ιδέες. Για παράδειγμα, τα καλύτερα ρολόγια στον κόσμο, περιορίζονται από τον κβαντομηχανικό θόρυβο. Οι ερευνητές αναρωτήθηκαν πως μπορεί να βελτιωθεί η ακρίβεια αυτών των ρολογιών με τη χρήση της διόρθωσης κβαντικού σφάλματος. Μια άλλη ιδέα που προτάθηκε από τον Alexei Kitaev του CalTtech, είναι ότι μερικά φυσικά συστήματα μπορεί να έχουν ένα τύπο φυσικής ανοχής στο θόρυβο. Αυτά τα συστήματα θα χρησιμοποιούν κβαντική διόρθωση σφαλμάτων, χωρίς την ανθρώπινη επέμβαση και θα μπορούσαν να επιδείξουν εξαιρετική αντίσταση στην καταστροφή της υπέρθεσης των καταστάσεων. 

Εξερευνήσαμε πως η επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας σημειώνει πρόοδο από τα θεμελιώδη ερωτήματα προς την οικοδόμηση όλο και πιο πολύπλοκων συστημάτων. Τι μας επιφυλάσσει το μέλλον;

Ακολουθώντας το πρόγραμμα του Schumacher, θα πετύχουμε σίγουρα μεγαλύτερη κατανόηση για τις δυνατότητες επεξεργασίας πληροφορίας του Σύμπαντος.

Ίσως οι μέθοδοι της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας, να μας δώσουν μεγαλύτερη κατανόηση για συστήματα που παραδοσιακά δεν τα θεωρούσαμε ως συστήματα επεξεργασίας πληροφορίας. Για παράδειγμα, η συμπυκνωμένη ύλη επιδεικνύει πολύπλοκα φαινόμενα, όπως είναι η υπεραγωγιμότητα υψηλών θερμοκρασιών και το κβαντικό φαινόμενο Hall με κλασματικά φορτία.

Κβαντικές ιδιότητες όπως η διεμπλοκή επεμβαίνουν, αλλά ο ρόλος τους δεν είναι σήμερα κατανοητός ξεκάθαρα. Εφαρμόζοντας ότι έχουμε μάθει από την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας, μπορούμε να τα βγάλουμε πέρα καλύτερα, στην παρτίδα σκακιού που παίζουμε με το πολύπλοκο κβαντικό Σύμπαν.  

1o, 2ο, 3ο, 4ο, 5ο

HomeHomeHome