Μηχανικοί δημιούργησαν «γάτα του Σρέντιγκερ» μέσα σε τσιπ πυριτίου

08:25 18/1/2025 - Πηγή: Huffington Post Greece

Μια «γάτα του Στρέντιγκερ» μέσα σε τσιπ πυριτίου δημιούργησαν μηχανικοί στο UNSW Sydney: Πρόκειται για το γνωστό κβαντικό νοητικό πείραμα, που αναμένεται να συμβάλει στην καλύτερη διεξαγωγή κβαντικών υπολογισμών και τον εντοπισμό λαθών, το οποίο με τη σειρά του είναι ένα από μεγαλύτερα εμπόδια στον δρόμο προς έναν λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή.

Η κβαντομηχανική απασχολεί επιστήμονες και φιλοσόφους εδώ και πάνω από έναν αιώνα. Ένα από τα πιο γνωστά νοητικά πειράματα

είναι η «γάτα του Σρέντιγκερ», η ζωή της οποίας υποτίθεται πως εξαρτάται από την αποσύνθεση ενός ραδιενεργού ατόμου. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, εάν το άτομο δεν παρατηρείται απευθείας, πρέπει να θεωρείται ότι είναι σε υπέρθεση (πολλαπλές καταστάσεις την ίδια στιγμή) αποσύνθεσης ή μη αποσύνθεσης. Αυτό οδηγεί στο περίεργο συμπέρασμα πως και η γάτα είναι σε υπέρθεση ζωής και θανάτου (είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή).

«Κανείς δεν έχει δει μια πραγματική γάτα σε μια κατάσταση που να είναι ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή, μα η μεταφορά της γάτας του Σρέντιγκερ χρησιμοποιείται για να περιγραφεί μια υπέρθεση κβαντικών καταστάσεων που διαφέρουν κατά πολύ» λέει ο καθηγητής Αντρέα Μορέλο, επικεφαλής της ομάδας που έκανε την έρευνα, η οποία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nature Physics.

Για τους σκοπούς της έρευνας η ομάδα του καθηγητή Μορέλο χρησιμοποίησε ένα άτομο αντιμονίου, που είναι πολύ πιο πολύπλοκο από τα κανονικά «qubits» (quantum building blocks). «Στη δουλειά μας η “γάτα” είναι ένα άτομο αντιμονίου» λέει ο Σι Γιου, lead author του επιστημονικού άρθρου. «Το αντιμόνιο είναι ένα βαρύ άτομο, που κατέχει ένα μεγάλο πυρηνικό “σπιν”, δηλαδή ένα μεγάλο μαγνητικό δίπολο. Το σπιν (η περιστροφή) του αντιμονίου μπορεί να πάρει οκτώ διαφορετικές κατευθύνσεις αντί για απλώς δύο. Μπορεί να μη φαίνονται πολλές, μα στην πράξη αλλάζουν εντελώς τη συμπεριφορά του συστήματος. Μια υπέρθεση του σπιν του αντιμονίου που “βλέπει” σε αντίθετες κατευθύνσεις δεν είναι μόνο μια υπέρθεση του “πάνω” και του “κάτω” επειδή υπάρχουν πολλαπλές κβαντικές καταστάσεις που διαχωρίζουν τα δύο παρακλάδια της υπέρθεσης».

Αυτό έχει μεγάλη σημασία για τους επιστήμονες που δουλεύουν πάνω σε κβαντικούς υπολογιστές χρησιμοποιώντας το πυρηνικό «σπιν» ενός ατόμου ως βασικό δομικό κομμάτι. «Κανονικά οι άνθρωποι χρησιμοποιούν ένα κβαντικό bit, ένα qubit, - ένα αντικείμενο που περιγράφεται από μόνο δύο κβαντικές καταστάσεις- ως βασική μονάδα κβαντικής πληροφορίας» λέει ο Μπέντζαμιν Βίλχελμ, ένας εκ των ερευνητών. «Αν το qubit είναι ένα σπιν, μπορούμε να αποκαλέσουμε το “σπιν προς τα κάτω” κατάσταση “0” και το “σπιν προς τα πάνω” κατάσταση “1”. Μα αν η κατεύθυνση του σπιν αλλάξει ξαφνικά, έχουμε αμέσως ένα λογικό λάθος. Το 0 γίνεται 1 ή το αντίθετο με τη μία. Για αυτό και η κβαντική πληροφορία είναι τόσο εύθραυστη».

Ωστόσο στο άτομο του αντιμονίου που έχει οκτώ διαφορετικές κατευθύνσεις σπιν, αν το 0 κωδικοποιείται ως “νεκρή γάτα” και το 1 ως “ζωντανή γάτα”, ένα μεμονωμένο λάθος δεν αρκεί για να προκαλέσει μπέρδεμα στον κβαντικό κώδικα.

«Όπως λένε, μια γάτα έχει εννιά ζωές. Μία μικρή γρατσουνιά δεν αρκεί για να τη σκοτώσει. Η μεταφορική μας “γάτα” έχει επτά ζωές: Θα χρειάζονταν επτά συνεχόμενα λάθη για να μετατραπεί το 0 σε 1. Αυτή είναι η έννοια με την οποία η υπέρθεση των καταστάσεων σπιν του αντιμονίου σε αντίθετες κατευθύνσεις είναι “μακροσκοπική”- επειδή λαμβάνει χώρα σε μεγαλύτερη κλίμακα, και κάνει πραγματικότητα μια γάτα του Σρέντιγκερ» εξηγεί ο Γιου.

Αυτή η «γάτα αντιμονίου» βρίσκεται μέσα σε ένα κβαντικό τσιπ πυριτίου, σαν αυτά στους υπολογιστές και τα κινητά μας, μα έχει προσαρμοστεί έτσι ώστε να παρέχει πρόσβαση στην κβαντική κατάσταση ενός μεμονωμένου ατόμου. Το τσιπ κατασκευάστηκε από τη Ντανιέλ Χολμς του UNSW, ενώ το άτομο αντιμονίου τοποθετήθηκε στο τσιπ από συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης.

«Φιλοξενώντας την ατομική “γάτα του Σρέντιγκερ” μέσα σε ένα τσιπ πυριτίου, αποκτούμε ιδιαίτερο έλεγχο στην κβαντική της κατάσταση- ή, αν προτιμάτε, στη ζωή και τον θάνατό της» λέει η Χολμς. «Επιπλέον, η φιλοξενία της “γάτας” στο πυρίτιο σημαίνει πως, μακροπρόθεσμα, αυτή η τεχνολογία μπορεί να μεγαλώσει σε κλίμακα με παρόμοιες μεθόδους σαν αυτές που ήδη υιοθετούμε για να φτιάχνουμε τα τσιπ υπολογιστή που έχουμε σήμερα».

Η σημασία αυτού του επιτεύγματος είναι πως ανοίγει τον δρόμο προς την κατεύθυνση ενός νέου τρόπου κβαντικών υπολογισμών. Οι πληροφορίες είναι ακόμα κωδικοποιημένες σε δυαδικό κώδικα, 0 ή 1, μα υπάρχει περισσότερο περιθώριο λάθους μεταξύ των λογικών κωδίκων. «Ένα μεμονωμένο, ή ακόμα και λίγα λάθη, δεν μπερδεύουν άμεσα την πληροφορία» λέει ο καθηγητής Μορέλο. «Αν σημειωθεί ένα λάθος, το εντοπίζουμε αμέσως και μπορούμε να το διορθώσουμε πριν συσσωρευτούν περισσότερα. Για να συνεχίσουμε τη μεταφορά της “γάτας του Σρέντιγκερ” είναι σαν να είδαμε τη γάτα μας να γυρνά σπίτι με μια μεγάλη γρατσουνιά στο πρόσωπο. Δεν έχει πεθάνει, μα ξέρουμε ότι έμπλεξε σε καυγά, μπορούμε να πάμε να βρούμε ποιος τον προκάλεσε πριν συμβεί ξανά και η γάτα μας τραυματιστεί κι άλλο».