Tag: κβαντική υπολογιστική

ΠΩΣ Η ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΠΑΝΑΠΡΟΣΔΙΟΡΙΖΕΙ ΤΑ ΘΕΜΕΛΙΑ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

Η κβαντική φυσική είναι γεμάτη επιστημονικά και φιλοσοφικά μυστήρια, οι απαντήσεις στα οποία μπορεί κάλλιστα να προκύψουν από τις εμπορικές εφαρμογές του πεδίου. Η Elise Crull (φιλόσοφος), ο Artur Ekert (ακαδημαϊκός) και η Stephanie Simmons (στέλεχος βιομηχανίας) εξετάζουν την περίπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ εφαρμογών και θεμελίων, συνομιλώντας με τον Hamish Johnston.

Η επιστήμη και η τεχνολογία συμβαδίζουν, αλλά η βασική έρευνα δεν οδηγεί πάντοτε σε εφαρμογές. Πολλές από τις πρώιμες εξελίξεις στη θερμοδυναμική, για παράδειγμα, ακολούθησαν την αντίθετη πορεία, προκύπτοντας από πειράματα με εξοπλισμό που ανέπτυξε ο James Watt, ο οποίος προσπαθούσε να βελτιώσει την απόδοση των ατμομηχανών. Με παρόμοιο τρόπο, μεγάλο μέρος της προόδου στην οπτική και τη φωτονική προέκυψε μόνο μετά την εφεύρεση του λέιζερ.

Το ίδιο ισχύει και στην κβαντική φυσική, όπου πολλές από τις πιο συναρπαστικές εξελίξεις συμβαίνουν σε εταιρείες που κατασκευάζουν κβαντικούς υπολογιστές, αναπτύσσουν ισχυρούς αισθητήρες ή βρίσκουν τρόπους να μεταδίδουν πληροφορία με απόλυτη ασφάλεια. Οι τεχνολογίες αιχμής και ο εξοπλισμός που αναπτύσσονται στο πλαίσιο αυτών των επιτευγμάτων μάς επιτρέπουν, με τη σειρά τους, να κατανοήσουμε τα βασικά επιστημονικά και φιλοσοφικά ερωτήματα της κβαντικής φυσικής.

Η κβαντική σύμπλεξη (quantum entanglement)^[1], για παράδειγμα, δεν είναι πλέον ένα ακαδημαϊκό πρόβλημα, αλλά ένα απτό εργαλείο που μπορεί να αξιοποιηθεί στην κβαντική τεχνολογία. Και επειδή οι επιχειρήσεις αξιοποιούν πλέον αυτό το εργαλείο σε πραγματικά προβλήματα, είναι δυνατό να σημειωθεί πρόοδος σε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με το τι ακριβώς είναι η κβαντική σύμπλεξη. Εδώ έχουμε μια περίπτωση όπου οι τεχνολογικές εφαρμογές οδηγούν σε απαντήσεις θεμελιωδών ερωτημάτων και όχι το αντίστροφο.

Σε μία από την σειρά διαδικτυακών εκδηλώσεων Physics World Live, η Elise Crull (φιλόσοφος), ο Artur Ekert (ακαδημαϊκός) και η Stephanie Simmons (στέλεχος βιομηχανίας) συναντήθηκαν για να συζητήσουν την περίπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ κβαντικής τεχνολογίας και των θεμελιακών αρχών της κβαντομηχανικής.

Η Elise Crull, που σπούδασε φυσική, είναι σήμερα αναπληρώτρια καθηγήτρια φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης (CUNY). Ο Artur Ekert είναι ερευνητής πάνω σε θέματα κβαντικής κρυπτογραφίας στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και ιδρυτικός διευθυντής του Κέντρου Κβαντικών Τεχνολογιών (Center for Quantum Technologies) στη Σιγκαπούρη. Η Stephanie Simmons είναι επικεφαλής κβαντικής τεχνολογίας στην εταιρεία Photonic, συν-πρόεδρος του Συμβουλίου Κβαντικών Τεχνολογιών του Καναδά (Canada’s Quantum Advisory Council) και αναπληρώτρια καθηγήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο Simon Fraser στο Βανκούβερ.

Από αριστερά προς τα δεξιά: Elise Crull, Artur Ekert, Stephanie Simmons

Μπορείτε να περιγράψετε την αλληλεπίδραση μεταξύ των εφαρμογών της κβαντικής φυσικής και των θεμελιωδών επιστημονικών και φιλοσοφικών ερωτημάτων της;

Stephanie Simmons: Τα τελευταία 20 χρόνια, η χρηματοδότηση για την κβαντική τεχνολογία έχει αυξηθεί κατακόρυφα, καθώς οι άνθρωποι συνειδητοποίησαν τη δυνατότητα εκθετικής επιταχύνσης που αναμένεται για ορισμένες εφαρμογές. Αυτές οι επενδύσεις έχουν προσελκύσει πολύ περισσότερους ανθρώπους στο πεδίο και έχουν καταστήσει την κβαντική φυσική πολύ πιο ορατή. Αλλά με τη σειρά τους, οι εφαρμογές μας επέτρεψαν επίσης να μάθουμε περισσότερα για τη θεμελιώδη πλευρά της κβαντομηχανικής.

Μας έχουν, για παράδειγμα, αναγκάσει να σκεφτούμε τι σημαίνει πραγματικά η κβαντική πληροφορία, πώς μπορεί να αντιμετωπιστεί ως πόρος και τι συνιστά νοημοσύνη έναντι συνείδησης. Μαθαίνουμε τόσα πολλά σε θεμελιώδες επίπεδο χάρη σε αυτές τις τεχνολογικές προόδους. Με τον ίδιο τρόπο, η κατανόηση αυτών των θεμελιωδών πτυχών μας επιτρέπει να αναπτύσσουμε την τεχνολογία με πιο καινοτόμο τρόπο.

Αν σκεφτείτε τους συμβατικούς, κλασικούς υπερυπολογιστές, τους χρησιμοποιούμε κατανεμημένα, με πολλούς διαφορετικούς κόμβους συνδεδεμένους μεταξύ τους. Αλλά πώς μπορούμε να επιτύχουμε αυτή την δυνατότητα οριζόντιας κλιμάκωσης (horizontal scalability) στον κβαντικό υπολογισμό; Ένας τρόπος για να αποκτήσουμε κατανεμημένη κβαντική τεχνολογία είναι η χρήση της κβαντικής σύμπλεξης, η οποία δεν είναι αποτελεί κάποια εκ των υστέρων προσθήκη, αλλά τον πυρήνα του κβαντικού υπολογισμού.

Πώς διαχειρίζεται κανείς τη σύμπλεξη, πως τη δημιουργεί, πως τη διανέμει και την εκμεταλλεύεται; Η σύμπλεξη είναι κεντρικής σημασίας ζήτημα για την κβαντική τεχνολογία της επόμενης γενιάς, αλλά για να σημειωθεί πρόοδος, πρέπει να απελευθερωθούμε από τον καθιερωμένο τρόπο σκέψης. Αντί να σκεφτόμαστε με κλασικούς όρους, για παράδειγμα με πύλες, μια διαφορετική θεώρηση του τύπου «πρώτα η σύμπλεξη» θα αλλάξει εντελώς το παιχνίδι.

Artur Ekert: Ως κάποιος που ενδιαφέρεται περισσότερο για τα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής, ειδικά για τη φύση της τυχαιότητας, η τεχνολογία δεν υπήρξε ποτέ πραγματικά η κύρια ανησυχία μου. Ωστόσο, κάθε φορά που προσπάθησα να κάνω καθαρή θεμελιώδη έρευνα, απέτυχα, γιατί ανακάλυπτα ότι υπήρχαν ενδιαφέρουσες συνδέσεις με την τεχνολογία. Υπάρχει πάντα κάποιος που λέει: «Ξέρεις, αυτό μπορεί να εφαρμοστεί εδώ ή εκεί».

Σκεφτείτε κάποια κλασικά άρθρα για τα θεμέλια της κβαντικής φυσικής, όπως η εργασία των Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) του 1935^[2], η οποία υποδήλωνε ότι η κβαντική μηχανική είναι ελλιπής. Αν τη δείτε από την οπτική της ασφάλειας δεδομένων, συνειδητοποιείτε ότι κάποιες έννοιες – όπως η ικανότητα να μαθαίνεις για μια φυσική ιδιότητα χωρίς να την διαταράσσεις – σχετίζονται άμεσα με τη κρυπτογραφία. Εξάλλου, κάτι τέτοιο θα προσέφερε έναν τρόπο τέλειας υποκλοπής. Έτσι, παρότι απολαμβάνω τις εφαρμογές και τη συνεργασία με συναδέλφους από τον εταιρικό τομέα, έχω μια σχέση αγάπης-μίσους με τον κόσμο της τεχνολογίας.

Elise Crull: Σήμερα, οι φυσικοί μπορούν να ελέγξουν πράγματα που δεν μπορούσαν στο παρελθόν – ίσως όχι τα πραγματικά παράξενα φαινόμενα, όπως η αόριστη αιτιατική τάξη, αλλά σίγουρα την κβαντική μετρολογία και τη θέση του ορίου μεταξύ κβαντικού και κλασικού κόσμου. Αυτές είναι συναρπαστικές περιοχές προβληματισμού και περνώ πολύ ωραία αλληλεπιδρώντας με φυσικούς, προσπαθώντας να καταλάβω τι εννοούν όταν αναφέρονται σε θεμελιώδεις έννοιες όπως η αιτιότητα.

Είχε δίκιο ο Schrödinger όταν είπε ότι η σύμπλεξη είναι αυτή που μάς οδηγεί σε ολική απομάκρυνση από τις κλασικές γραμμές σκέψης; Τι θεωρείται ως μη-κλασική φυσική και πού βρίσκεται το όριο με τον κβαντικό κόσμο; Ποια συμπεριφορά αποτελεί –και δεν αποτελεί– χαρακτηριστικό γνώρισμα των κβαντικών φαινομένων; Αυτά τα ερωτήματα κάνουν αυτή την εποχή συναρπαστική για έναν φιλόσοφο.

Έχετε ένα αγαπημένο κβαντικό πείραμα ή κάποια κβαντική τεχνολογία που αναπτύχθηκε τις τελευταίες δεκαετίες;

Artur Ekert: Θα έλεγα τα πειράματα του Alain Aspect στο Orsay στις αρχές της δεκαετίας του 1980, τα οποία βασίστηκαν σε προγενέστερη εργασία του John Clauser, για να διαπιστωθεί αν υπήρχε τρόπος παραβίασης των ανισοτήτων Bell^[3]. Όταν ήμουν μεταπτυχιακός φοιτητής στην Οξφόρδη, βρήκα το πείραμα απολύτως συναρπαστικό, και με εξέπληξε που δεν είχε την προσοχή που πίστευα ότι του άξιζε εκείνη την εποχή. Ήταν πραγματικά σοκαριστικό να διαπιστώνεις ότι η φύση είναι εγγενώς τυχαία και αντικρούει την ύπαρξη των τοπικών «κρυφών μεταβλητών».

Υπάρχουν, φυσικά, πολλά άλλα όμορφα πειράματα στην κβαντική φυσική. Υπάρχουν πειράματα κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κοιλότητας (cavity quantum electrodynamics, CQED) και παγίδων ιόντων (ion traps) που επιτρέπουν στους φυσικούς να περάσουν από τον έλεγχο ομάδων ατόμων σε μεμονωμένα άτομα ή ιόντα. Αλλά για μένα, το πείραμα του Aspect ήταν διαφορετικό επειδή δεν επιβεβαίωνε κάτι που είχαμε ήδη βιώσει. Ως φοιτητής θυμάμαι να σκέφτομαι: «Δεν το καταλαβαίνω αυτό. Δεν έχει νόημα. Είναι σοκαριστικό».

Elise Crull: Τα πειράματα τύπου Bell είναι ο λόγος που ενδιαφέρθηκα για τη φιλοσοφία της κβαντικής μηχανικής. Δεν είχα γεννηθεί ακόμη όταν ο Aspect έκανε τα πρώτα του πειράματα, αλλά στο πρόσφατο συνέδριο «Helgoland 2025» που σηματοδότησε την εκατονταετηρίδα της κβαντικής μηχανικής, εκείνος βρισκόταν στο ίδιο βήμα με τον Anton Zeilinger, συζητώντας για τη σημασία των παραβιάσεων των ανισοτήτων του Bell. Πρόκειται, λοιπόν, για ένα πείραμα που παραμένει ανοιχτό σχεδόν 50 χρόνια αργότερα, και εξακολουθούμε να έχουμε διαφορετικές αφηγήσεις που εμπλέκουν την αιτιότητα προκειμένου να το εξηγήσουμε.

Με ενδιαφέρει, επίσης, το πώς οι φυσικοί βρίσκουν ευφυείς μεθόδους για να θωρακίζουν συστήματα από την απώλεια συνοχής (decoherence), πράγμα που μας επιτρέπει να παρατηρούμε κβαντικά φαινόμενα σε ολοένα και πιο μακροσκοπικά επίπεδα. Φαίνεται πως το ζητούμενο είναι να περάσουμε από ένα μόνο κβαντικό bit (qubit) ή ολιγομελή κβαντικά συστήματα σε κβαντικά συστήματα πολλών σωματιδίων και να μελετήσουμε τα αναδυόμενα φαινόμενα εκεί. Ανυπομονώ να δω περισσότερα αποτελέσματα.

Stephanie Simmons: Με ενδιαφέρουν ιδιαίτερα τα μεγάλα κβαντικά συστήματα, τα οποία θα μας επιτρέψουν να πετύχουμε θαυμάσια πράγματα, όπως η διόρθωση σφαλμάτων, η εκθετική επιτάχυνση σε αλγόριθμους, καθώς και διανομή σύμπλεξης σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτές οι δυνατότητες θα ανοίξουν το δρόμο για νέες τεχνολογίες και θα μας επιτρέψουν να διερευνήσουμε το πρόβλημα της μέτρησης, που βρίσκεται στον πυρήνα τόσων αναπάντητων ερωτημάτων της κβαντικής φυσικής.

Το πώς θα καταφέρουμε να δημιουργήσουμε αξιόπιστα κβαντικά συστήματα ξεκινώντας από «θορυβώδη» κβαντικά συστήματα δεν ήταν καθόλου προφανές. Χρειάστηκε περίπου μια δεκαετία για να το πετύχουν διάφορες ομάδες σε όλο τον κόσμο. Πιέζουμε τα όρια της απόδοσης, αλλά πρόκειται για έναν τομέα που κινείται πολύ γρήγορα, και θα έλεγα πως η τεχνολογία που θεωρώ πιο υποτιμημένη είναι η διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων (quantum error correction).

Πόσο μεγάλο θα μπορούσε να είναι ένα κβαντικό αντικείμενο ή σύστημα; Και αν το κατασκευάζαμε ποτέ, ποια νέα θεμελιώδη γνώση για την κβαντική μηχανική θα μας προσέφερε;

Artur Ekert: Η τεχνολογία έχει οδηγήσει την πρόοδο στην κατανόηση του κβαντικού κόσμου. Περάσαμε από το να μπορούμε να ελέγχουμε δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων ατόμων ως σύνολο, στο να ελέγχουμε ένα μόνο άτομο – αλλά η πρόκληση τώρα είναι να ελέγχουμε περισσότερα από αυτά – δύο, τρία ή τέσσερα. Μπορεί να φαίνεται παράδοξο ότι περάσαμε από τα πολλά στο ένα και τώρα επιστρέφουμε ξανά στα πολλά, αλλά η διαφορά είναι ότι τώρα μπορούμε να ελέγχουμε τις κβαντικές καταστάσεις. Μπορούμε να διαμορφώνουμε τις αλληλεπιδράσεις και να μελετούμε τα αναδυόμενα φαινόμενα. Δεν πιστεύω ότι θα υπάρξει ένας μαγικός αριθμός πέρα από τον οποίο η κβαντική συμπεριφορά θα εξαφανιστεί – αλλά ποιος ξέρει; Ίσως όταν φτάσουμε στα 42 άτομα, ο κόσμος να είναι διαφορετικός.

Elise Crull: Εξαρτάται από το τι αναζητά κανείς. Για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, το LIGO χρησιμοποιεί ήδη ράβδους Weber, οι οποίες είναι μεγάλες ράβδοι αλουμινίου – βάρους περίπου ενός τόνου – που ταλαντώνονται σαν κβαντικοί ταλαντωτές. Επομένως, διαθέτουμε ήδη μακροσκοπικά συστήματα που πρέπει να αντιμετωπίζονται κβαντομηχανικά. Το ερώτημα είναι αν μπορούμε να διατηρήσουμε την κβαντική σύμπλεξη για μεγαλύτερο χρόνο και σε μεγαλύτερες αποστάσεις.

Ποια είναι τα εμπόδια για την κλιμάκωση των κβαντικών διατάξεων, ώστε να καταστούν εμπορικά βιώσιμες;

Stephanie Simmons: Για να επιτύχουμε εκθετικές επιταχύνσεις στη χημεία ή στην κυβερνοασφάλεια, θα χρειαστούμε κβαντικούς υπολογιστές με 400 έως 2000 qubits εφαρμοσμένων προδιαγραφών. Θα πρέπει να λειτουργούν με συγκεκριμένο βαθμό ακρίβειας, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτείται διόρθωση σφαλμάτων. Το πρόσθετο κόστος θα είναι υψηλό, αλλά έχουν ήδη επενδυθεί πολλά χρήματα με βάση την υπόθεση ότι όλα θα πάνε καλά, αν και δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι υπάρχει κάποιο όριο.

Δεν πιστεύω ότι υπάρχει κάτι που θα μας εμποδίσει από το να πετύχουμε αυτού του είδους την εμπορική επιτυχία. Ωστόσο, όταν κατασκευάζεις πράγματα που δεν έχουν ξανακατασκευαστεί, υπάρχουν πάντα «άγνωστα άγνωστα», γεγονός που έχει τη δική του γοητεία. Υπάρχει πάντα η πιθανότητα να παρατηρήσουμε κάποιο ενδιαφέρον αναδυόμενο φαινόμενο όταν κατασκευάσουμε πολύ μεγάλα κβαντικά συστήματα που δεν υπάρχουν στη φύση.

Artur Ekert: Για να κατασκευάσουμε έναν κβαντικό υπολογιστή, πρέπει να δημιουργήσουμε αρκετά qubits και να τα κάνουμε να αλληλεπιδρούν, πράγμα που απαιτεί ένα εκπληκτικό επίπεδο ακρίβειας και ελέγχου. Δεν υπάρχει λόγος να μην μπορούμε να το πετύχουμε, αλλά αυτό που θα ήταν συναρπαστικό είναι αν – κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας – ανακαλύπταμε ότι υπάρχει ένα θεμελιώδες όριο.

Έτσι, παρότι υποστηρίζω όλες τις προσπάθειες για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών, σχεδόν θα ήθελα να αποτύχουν, γιατί τότε, ίσως ανακαλύψουμε κάτι που θα αντέκρουε την κβαντική φυσική. Εξάλλου, η κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή είναι πιθανότατα το πιο περίπλοκο και εξελιγμένο πείραμα στην ιστορία της κβαντικής φυσικής. Είναι πιο σύνθετο από ολόκληρο το πρόγραμμα «Απόλλων» που έστειλε αστροναύτες στη Σελήνη: ο βαθμός ακρίβειας που απαιτείται για κάθε επιμέρους συνιστώσα είναι εκπληκτικός.

Αν η κβαντική φυσική κάποια στιγμή καταρρεύσει, οι πιθανότητες είναι ότι αυτό θα συμβεί σε ένα τέτοιο πείραμα. Φυσικά, εύχομαι όλοι οι συνάδελφοί μου που επενδύουν στην κβαντική υπολογιστική να έχουν καλή απόδοση των χρημάτων τους, αλλά έχω αυτή τη μυστική ατζέντα. Η αποτυχία κατασκευής ενός κβαντικού υπολογιστή θα ήταν επιτυχία για την επιστήμη επειδή θα μας επέτρεπε να μάθουμε κάτι νέο. Στην πραγματικότητα, θα μπορούσαμε ακόμη και να καταλήξουμε σε έναν ακόμη πιο ισχυρό «μετα-κβαντικό» υπολογιστή.

Η αποτυχία της κβαντικής μηχανικής, που θα έχει προκληθεί από αυτές τις εφαρμογές, θα ήταν πραγματικά συγκλονιστική, αν συνέβαινε ποτέ;

Artur Ekert: Οι άνθρωποι που επιδιώκουν να διαψεύσουν τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής εστιάζουν στην διερεύνηση της σχέσης μεταξύ κβαντικής φυσικής και βαρύτητας. Πώς θα μπορούσε, λοιπόν, να αντικρουστεί η κβαντική φυσική μέσω ενός κβαντικού υπολογιστή; Θα περιλάμβανε, ίσως, την απουσία επιτάχυνσης εκεί όπου θα έπρεπε να υπάρχει, ή θα ήταν κάποια άλλη μορφή αποτυχίας;

Το ένστικτό μου λέει το εξής: κατασκευάστε αυτό το κβαντικό πείραμα όσο περίπλοκο και εξελιγμένο θέλετε, κλιμακώστε το στα άκρα, και δείτε τι θα συμβεί. Αν λειτουργήσει όπως, με βάση την σημερινή μας κατανόησή, θα έπρεπε να λειτουργήσει, τόσο το καλύτερο: θα έχουμε κβαντικούς υπολογιστές χρήσιμους για πραγματικές εφαρμογές. Αν όμως δεν λειτουργήσει για κάποιο θεμελιώδη λόγο, αυτό είναι εξίσου σπουδαίο – είναι ένα σενάριο όπου όλοι κερδίζουν.

Είμαστε κοντά στην αποτυχία της κβαντικής μηχανικής;

Elise Crull: Νομίζω ότι ο Arthur διατυπώνει μια πολύ ενδιαφέρουσα άποψη. Ωστόσο, έχουμε πάρα πολύ δρόμο μπροστά μας μέχρι να αποκτήσουμε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή. Στο μεταξύ, πολλοί άνθρωποι που εργάζονται πάνω στην κβαντική βαρύτητα – είτε πρόκειται για τη θεωρία χορδών είτε για την κανονική κβαντική βαρύτητα – καθοδηγούνται από τη βαθιά τους δέσμευση στην καθολικότητα της κβάντωσης.

Υπάρχουν, για παράδειγμα, πειράματα που σχεδιάζονται από κάποιους για να διαψεύσουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας μέσω της σύμπλεξης γεωμετριών του χωροχρόνου. Η ιδέα είναι να αποκλειστούν ορισμένες εναλλακτικές θεωρίες ή να βρεθούν άνω και κάτω όρια σε ένα συγκεκριμένο θεωρητικό χώρο. Νομίζω ότι θα σημειώσουμε μεγάλη πρόοδο όχι προσπαθώντας να νικήσουμε την κβαντική μηχανική, αλλά εξετάζοντας την «κλασικότητα» άλλων θεωριών πεδίου και επιχειρώντας να τις ελέγξουμε πειραματικά.

Πώς θα ωφελήσει η κβαντική τεχνολογία τομείς πέρα από τις επικοινωνίες και την κρυπτογραφία;

Stephanie Simmons: Η ιστορία δείχνει ότι κάθε φορά που εμπορευματοποιούμε έναν κλάδο της φυσικής, δεν είμαστε και πολύ καλοί στο να προβλέψουμε πού θα φτάσει αυτή η πλατφόρμα. Όταν οι άνθρωποι εφηύραν το πρώτο τρανζίστορ, δεν είχαν προβλέψει τα δισεκατομμύρια που σήμερα μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα τσιπ. Έτσι, άνθρωποι που μεγαλώνουν μέσα στην κβαντική εποχή, θα έχουν πρόσβαση σε εργαλεία και έννοιες με τις οποίες θα εξοικειωθούν γρήγορα.

Πρέπει να θυμόμαστε ότι οι άνθρωποι θεωρούν την κβαντική μηχανική ως αντιδιαισθητική. Αλλά στην πραγματικότητα είναι το πιο αυτοσυνεπές σύνολο φυσικών αρχών. Φανταστείτε ότι είστε ένας χαρακτήρας σε ένα βιντεοπαιχνίδι και πηδάτε στον αέρα ενώ είστε ήδη στον αέρα· αυτό δεν είναι πραγματικότητα, αλλά είναι απόλυτα αυτοσυνεπές. Η κβαντική φυσική είναι ακριβώς το ίδιο. Είναι παράξενη, αλλά αυτοσυνεπής. Μόλις συνηθίσετε τους κανόνες, μπορείτε να παίξετε με αυτούς.

Πιστεύω ότι υπάρχει μια πραγματική ευκαιρία να προσεγγίσουμε τη χημεία με έναν πολύ πιο υπολογιστικό τρόπο. Η κβαντική υπολογιστική πρόκειται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι συζητούν για τη χημεία. Έχουμε την ευκαιρία να επανασχεδιάσουμε τον τρόπο με τον οποίο η χημεία είναι δομημένη, είτε πρόκειται για καταλύτες είτε για βαριά στοιχεία. Τα χημικά υλικά είναι κβαντομηχανικά αντικείμενα – αν είχατε 30 ή 50 άτομα, ένας κλασικός υπολογιστής θα χρειαζόταν περισσότερα bits από όσα άτομα υπάρχουν στο σύμπαν για να υπολογίσει την ηλεκτρονική τους δομή.

Έχει γίνει η βιομηχανία σημαντικότερη από την ακαδημαϊκή κοινότητα όσον αφορά την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών;

Stephanie Simmons: Η μεγάλη πρόκληση στον κβαντικό κόσμο είναι να κατασκευαστεί ένα κλιμακούμενο, ανεκτικό σε σφάλματα κβαντικό σύστημα, ικανό να προσφέρει εκθετική επιτάχυνση στην ταχύτητα των υπολογισμών αλλά και τους κβαντικούς επαναλήπτες (repeaters) που χρειαζόμαστε για όλες τις τεχνολογίες διανομής κβαντικής σύμπλεξης. Και όλο αυτό το έργο, ή τουλάχιστον ένα μεγάλο κομμάτι του, πραγματοποιείται σήμερα σε εταιρείες. Το κέντρο βάρους αυτής της ανάπτυξης βρίσκεται εκτός ακαδημαϊκής κοινότητας.

Φυσικά, εξακολουθούν να υπάρχουν συνεισφορές από την ακαδημαϊκή κοινότητα, αλλά στη βιομηχανία συμβαίνουν τουλάχιστον δέκα φορές περισσότερα για την αντιμετώπιση αυτών των εξαιρετικά περίπλοκων προκλήσεων στη μηχανική συστημάτων. Στην πράξη, αντιμετωπίζοντας όλα αυτά τα «άγνωστα άγνωστα», γίνεσαι στην πραγματικότητα καλύτερος «κβαντικός μηχανικός». Η βιομηχανία είναι αυτή τη στιγμή ο ταχύτερα κινούμενος χώρος στην κβαντική τεχνολογία, και θα προκύψουν πράγματα που θα εκπλήξουν τους ανθρώπους.

Artur Ekert: Μπορούμε να μάθουμε πολλά από συναδέλφους που εργάζονται στον εμπορικό τομέα, επειδή θέτουν διαφορετικά είδη ερωτήσεων. Η δική μου πρώτη επαφή ήταν με τους John Rarity και Paul Tabster στην UK Defence Evaluation and Research Agency, το οποίο μετά την ιδιωτικοποίηση έγινε η QinetiQ. Αυτοί οι άνθρωποι ήταν απολύτως καταπληκτικοί και πολύ πιο αισιόδοξοι από εμένα για το μέλλον των κβαντικών τεχνολογιών. Ο Paul, ειδικότερα, είναι ένας αφανής ήρωας της κβαντικής τεχνολογίας. Μου έδειξε πώς μπορείς να σκέφτεσαι όχι με όρους εξισώσεων, αλλά με όρους διατάξεων – δομικών στοιχείων που μπορείς να συνδυάσεις, σαν κβαντικά LEGO.

Με την πάροδο του χρόνου, είδα όλο και περισσότερους συναδέλφους μου, φοιτητές και μεταδιδάκτορες να μετακινούνται στον εμπορικό κόσμο. Κάποιοι δημιούργησαν μάλιστα τις δικές τους εταιρείες και έχω τεράστιο σεβασμό για όσους συναδέλφους μου έχουν κάνει κάτι τέτοιο. Εγώ ο ίδιος συμμετέχω στην Speqtral στη Σιγκαπούρη, η οποία δραστηριοποιείται στη δορυφορική κβαντική επικοινωνία, ενώ συμβουλεύω επίσης μερικές άλλες εταιρείες.

Οι περισσότερες προσπάθειες για την κατασκευή κβαντικών διατάξεων βρίσκονται πλέον εκτός ακαδημαϊκού χώρου. Και στην πραγματικότητα έτσι πρέπει να είναι, διότι τα πανεπιστήμια δεν είναι σχεδιασμένα για να κατασκευάζουν κβαντικούς υπολογιστές – κάτι που απαιτεί δεξιότητες και ανθρώπους που δεν υπάρχουν σε ένα τυπικό πανεπιστήμιο.

Ο μόνος τρόπος να ανακαλύψουμε σε τι είναι χρήσιμη η κβαντική τεχνολογία είναι μέσω νεοφυών εταιρειών (start-ups). Κάποιες θα αποτύχουν· αλλά κάποιες θα επιβιώσουν – και αυτές που θα επιβιώσουν θα είναι όσες έχουν ποντάρει στις σωστές εφαρμογές της κβαντικής θεωρίας.

Ποια τεχνολογική ή θεωρητική ανακάλυψη ελπίζετε περισσότερο πως θα κάνει τη μεγαλύτερη διαφορά;

Elise Crull: Θα ήθελα πολύ κάποιος να σχεδιάσει ένα πείραμα που να συμπλέκει γεωμετρίες του χωροχρόνου, πράγμα που θα ήταν ακραίο αλλά σίγουρα θα απομάκρυνε τη γενική σχετικότητα από το τραπέζι. Είναι ένα όνειρο που θα ήθελα πολύ να δω να πραγματοποιείται.

Stephanie Simmons: Ανυπομονώ πραγματικά να δω κατανεμημένα qubits που να επιδέχονται οριζόντια κλιμάκωση.

Artur Ekert: Στην πρακτική πλευρά, θα ήθελα να δω πραγματική πρόοδο στους κβαντικούς κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων (quantum-error-correcting codes) και στον ανεκτικό σε σφάλματα υπολογισμό (fault-tolerant computing). Στη θεμελιώδη πλευρά, θα ήθελα πειράματα που να προσφέρουν μια καλύτερη κατανόηση της φύσης της τυχαιότητας και των δεσμών της με την ειδική σχετικότητα.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Το άρθρο μεταφράστηκε και δημοσιεύτηκε στο InS κατόπιν σχετικής άδειας του περιοδικού Physics World που εκδίδεται από το Institute of Physics του Ηνωμένου Βασίλειου.

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ