Προς ένα κβαντικό κομπιούτερ με κβαντικές κουκίδες

Πηγή: Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ, 20 Ιανουαρίου 2006

Ερευνητές στο πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ έχουν αναπτύξει έναν τρόπο για να δημιουργήσουν 'νήσους' ημιαγωγών μικρότερους από 10 nm σε μια κλίμακα γνωστή ως κβαντικές κουκίδες. Οι 'νήσοι' αυτοί που φτιάχνονται από γερμάνιο και που τοποθετούνται στην επιφάνεια του πυριτίου με μια ακρίβεια δύο nm, είναι ικανά να περιορίσουν ένα ηλεκτρόνιο μονάχα.

"Πιστεύουμε ότι αυτή η ανάπτυξη μας φέρνει πιο κοντά προς το στόχο μας: έναν κβαντικό υπολογιστή", λέει ο Jeremy Levy, καθηγητής της φυσικής και της αστρονομίας του πανεπιστημίου και διευθυντής του κέντρου για τα ημιαγωγικά υλικά για τον κβαντικό υπολογισμό. Ο Levy και οι συνάδελφοι του αναφέρονται στην πρόοδο σε μια επιστημονική ανακοίνωση που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Applied Physics Letters.

Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν υπάρχουν ακόμα, αλλά είναι γνωστό ότι μπορούν να παρακάμψουν όλα τα γνωστά σχέδια κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούνται σήμερα στο διαδίκτυο. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι επίσης σε θέση να λύσουν αποτελεσματικά τη σημαντικότερη εξίσωση στην κβαντική φυσική: την εξίσωση του Schrödinger, η οποία περιγράφει τη χρονική εξάρτηση των κβαντομηχανικών συστημάτων. Ως εκ τούτου, εάν μπορούν να φτιαχτούν οι κβαντικοί υπολογιστές, πιθανόν να ασκήσουν τόσο μεγάλη επίδραση στην τεχνολογία, όσο και το τρανζίστορ.

Τα ηλεκτρόνια μια ιδιότητα γνωστή ως "σπιν" που μπορεί να πάρει μία από δύο κατευθύνσεις -- δεξιόστροφη και αριστερόστροφη. Λόγω της κβαντομηχανικής φύσης τους, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περιστρέφονται και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Αυτή η παράξενη ιδιότητα επιτρέπει να χρησιμοποιηθεί το σπιν ως ένα κβαντικό μπιτ σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Η δυνατότητα να περιοριστούν μεμονωμένα ηλεκτρόνια, σε αντιδιαστολή με τις "οπές" των ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούνται στη συμβατική τεχνολογία των υπολογιστών, είναι ουσιαστική για την εργασία ενός κβαντικού υπολογιστή.

Το επόμενο βήμα, λέει ο Levy, είναι να εκτελεσθούν ηλεκτρονικές και οπτικές μετρήσεις σε αυτά τα υλικά για να αποδείξουμε ότι υπάρχει πράγματι ένα μόνο ηλεκτρόνιο σε κάθε κβαντική κουκίδα και να εξετάσουμε τη σύζευξη μεταξύ των σπιν των γειτονικών ηλεκτρονίων. "Μπορούμε να το κάνουμε τώρα επειδή έχουμε αυτόν τον έλεγχο του χώρου και του μεγέθους", συμπλήρωσε.

Τα αποτελέσματα που επιτυγχάνονται από τον Levy είναι ένα παράδειγμα της βασικής νανο-έρευνας, η οποία περιλαμβάνει ιδιότητες χειρισμού στις μικρότερες κλίμακες -- από 1 έως 20 nm.

Οι  συσκευές ΚΒΑΝΤΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ λειτουργούν με απολύτως διαφορετικές αρχές από τους κλασσικούς υπολογιστές. Αντί να στηρίζονται στα δυαδικά ψηφία των πληροφοριών 1 και 0 -- on και off  -- λειτουργούν στο συγκεχυμένο, γκρίζο κόσμο των υποατομικών σωματιδίων, όπου ένα κβαντικό δυαδικό ψηφίο μπορεί να θεωρηθεί ότι αντιπροσωπεύει το 1 και το 0 συγχρόνως.

Ο υπολογιστής αυτός εκμεταλλεύεται, κατά κύριο λόγο, την ιδιότητα της υπέρθεσης καταστάσεων που έχουν τα στοιχειώδη σωματίδια. Αυτό σημαίνει ότι, υπό ορισμένες συνθήκες, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Όταν όμως γίνει μια μέτρηση ή παρατήρηση, αίρεται η 'ασάφεια'. Το ηλεκτρόνιο αποκτά μια συγκεκριμένη φυσική κατάσταση. Γι' αυτό, ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί θεωρητικά να κάνει πολλές πράξεις ταυτόχρονα.

Το πεδίο είναι κάτι περισσότερο από ακαδημαϊκό ενδιαφέρον: Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται να επιλύουν τύπους προβλημάτων, αρκετά περισσότερα από αυτά που έχουν σήμερα οι υπάρχουσες μηχανές υπολογισμού, όπως η αναζήτηση μέσω τεράστιων βάσεων δεδομένων -- αλλά ακόμη και το ξεκλείδωμα των κρυπτογραφικών κωδικών που χρησιμοποιούνται για να προστατεύσουν τα μυστικά μηνύματα και να εξασφαλίσουν τις συναλλαγές σε απευθείας σύνδεση. Αυτό είναι που κάνει το Πεντάγωνο, άλλες κυβερνητικές αντιπροσωπείες και εταιρίες όπως η ΙΒΜ, να ξοδεύουν δεκάδες εκατομμυρίων δολαρίων πάνω στην έρευνα των  κβαντικών υπολογιστών.