Οδηγώντας το Κβαντικό Μέλλον: Φωνονική Παρεμβολή και Νέα Υλικά

Σε αντίθεση με τους κλασικούς υπολογιστές, όπως τα laptop και τα smartphone μας, ένας κβαντικός υπολογιστής αξιοποιεί τις ιδιότητες της κβαντικής φυσικής για να εκτελεί υπολογισμούς και να αποθηκεύει δεδομένα, καθιστώντας τον καλύτερο ακόμη και από μερικούς από τους καλύτερους σημερινούς υπερυπολογιστές σε ορισμένες εργασίες.

Σε αντίθεση με την κωδικοποίηση πληροφοριών σε δυαδικά bits (είτε 0 είτε 1) όπως οι συνηθισμένοι υπολογιστές, η βασική μονάδα μνήμης ενός κβαντικού υπολογιστή είναι το qubit, το οποίο κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας φυσικά συστήματα όπως το σπιν της ηλεκτρονίου ή τον προσανατολισμό ενός φωτονίου. 

Quantum bits, or qubits, can be arranged in many different ways at once. This means they can represent both 0 and 1 simultaneously, a property called quantum superposition. Qubits can also be linked through quantum entanglement, where the connected particles share the same fate regardless of the distance between them.

Ως αποτέλεσμα, ένας κβαντικός υπολογιστής θεωρείται ότι έχει τη δυνατότητα να εκτελεί υπολογισμούς εκθετικά πιο γρήγορα από οποιονδήποτε κλασικό υπολογιστή. 

Με αυτό το πλεονέκτημα, οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται να φέρουν επανάσταση στην σύγχρονη πληροφορική. Θεωρητικά, μπορούν να βελτιστοποιήσουν τη λογιστική, να σπάσουν τα κυρίαρχα σχήματα κρυπτογράφησης, να επιτρέψουν την ανακάλυψη νέων φαρμάκων και υλικών, και να βοηθήσουν τους φυσικούς να πραγματοποιούν φυσικές προσομοιώσεις. 

Ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές δεν έχουν ακόμη γίνει πραγματικότητα, η προσπάθεια δημιουργίας ενός πρακτικού υπολογιστή επιταχύνεται καθώς οι μεγάλες τεχνολογικές εταιρείες εργάζονται για την κλιμάκωση από μικρά εργαστηριακά πειράματα σε πλήρως λειτουργικά συστήματα τα επόμενα χρόνια.

Η IBM έχει ήδη παρουσιάσει το λεπτομερές της σχέδιο, με τον Jay Gambetta, επικεφαλής της κβαντικής πρωτοβουλίας της IBM, να λέει στο Financial Times ότι δεν είναι πια ένα όνειρο:

«Πραγματικά νιώθω ότι έχουμε σπάσει τον κώδικα και θα μπορέσουμε να κατασκευάσουμε αυτή τη μηχανή μέχρι το τέλος της δεκαετίας.»

Ενώ η Google, μια εταιρεία του Alphabet (GOOG ), είναι επίσης σίγουρη για την ικανότητά της να παράγει ένα βιομηχανικής κλίμακας σύστημα εντός αυτού του χρονικού πλαισίου, η Amazon (AMZN ) προβλέπει μερικές δεκαετίες ακόμη για να γίνουν αυτές οι μηχανές πραγματικά χρήσιμες.

Υπάρχει σαφώς έντονη εστίαση σε αυτήν την αναδυόμενη τεχνολογία μεταξύ των μεγαλύτερων παικτών της βιομηχανίας, αν και η υιοθέτησή τους στην πραγματική ζωή συνεχίζει να εμποδίζεται από αρκετές προκλήσεις.

Αυτό περιλαμβάνει την ευαισθησία των qubits σε διαταραχές του περιβάλλοντος, γνωστή και ως «θόρυβος». Παράγοντες όπως η θερμότητα, οι δονήσεις και τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία μπορούν να προκαλέσουν σε ένα qubit την απώλεια των κβαντικών του ιδιοτήτων. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως κβαντική αποσυμπίεση, προκαλεί την κατάρρευση του συστήματος και εισάγει σφάλματα στους υπολογισμούς. Αυτή η ευαισθησία αποτελεί σημαντική πρόκληση στην κατασκευή και λειτουργία κβαντικών υπολογιστών.

Για να προστατεύσουν τα qubits από εξωτερικές παρεμβολές, οι επιστήμονες είτε τα απομονώνουν φυσικά, τα διατηρούν ψυχρά, είτε τα εκθέτουν σε συγκεντρωμένες εκρήξεις ενέργειας.

Εκτός από τον θόρυβο, η διόρθωση σφαλμάτων, η κλιμακωσιμότητα, η εξειδικευμένη γνώση, η απαιτητική κατανάλωση πόρων και η ενσωμάτωση με κλασικά συστήματα είναι άλλες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι κβαντικοί υπολογιστές. Το καλό είναι ότι αυτά τα ζητήματα αντιμετωπίζονται ενεργά από εταιρείες και επιστήμονες μέσω διαφορετικών προσεγγίσεων προκειμένου να γίνει η πραγματικότητα των κβαντικών υπολογιστών.

Neglectons: Παραμελημένα Σωματίδια στην Κβαντική Υπολογιστική

Ένας από τους τρόπους για να ξεπεραστεί η ευθραυστότητα των qubits και να κατασκευαστούν σταθεροί κβαντικοί υπολογιστές είναι ο συνδυασμός τους με μαθηματικά στοιχεία που προηγουμένως θεωρούνταν άσχετα. 

Αυτή η ανακάλυψη αναφέρθηκε από μαθηματικούς την περασμένη εβδομάδα, οι οποίοι σημείωσαν ότι παραμελημένα σωματίδια που ονομάζονται «neglectons» μπορούν να βοηθήσουν στην επανάσταση του τομέα.

Το κβαντικό σωματίδιο που συζητείται εδώ ονομάζεται Ising anyon, το οποίο υπάρχει μόνο σε 2Δ συστήματα και αποτελεί τον πυρήνα της τοπολογικής κβαντικής υπολογιστικής. Αυτό σημαίνει ότι τα anyons δεν αποθηκεύουν πληροφορίες στα σωματίδια αλλά στον τρόπο που περιδέρχονται γύρω τους, κάτι που είναι πολύ πιο ανθεκτικό στον θόρυβο. Το πρόβλημα είναι ότι τα Ising anyons δεν είναι καθολικά.

Για να το αντιμετωπίσουν, η ομάδα στράφηκε στη «μη ημι-απλή τοπολογική κβαντική θεωρία πεδίου». Αυτή η θεωρία επιτρέπει την πρόβλεψη νέων, άγνωστων σωματιδίων «απλώς κατανοώντας τη συμμετρία του τι συμβαίνει».

Σύμφωνα με αυτό, κάθε σωματίδιο έχει μια κβαντική διάσταση, έναν αριθμό που αντανακλά το πόσο «βάρος» ή επιρροή έχει στο σύστημα. Ενώ το σωματίδιο με μηδενικό βάρος συνήθως απορρίπτεται, στις νέες μη ημι-απλές εκδοχές, αυτά τα σωματίδια διατηρούνται πριν προσπαθήσουν να βρουν τρόπο να μην είναι το βάρος τους μηδέν.

Τα επανερμηνευμένα παραμελημένα κομμάτια παρέχουν τις ελλιπείς δυνατότητες των Ising anyons. 

Η μελέτη έδειξε ότι με μόνο ένα neglecton, το σωματίδιο είναι ικανό για καθολική υπολογιστική λειτουργία μόνο μέσω της πλεξίματος. Σημαντικό είναι ότι τα Ising anyons μπορούν να δημιουργούν υπερθέσεις καθώς εξαρτώνται από το σχήμα της διαδρομής πλεξίματος και όχι από ακριβείς θέσεις, και είναι φυσικά προστατευμένα από πολλούς τύπους θορύβου.

Εκπαίδευση AI για Αποτελεσματική Αναδιάταξη Ατόμων

Σε άλλη περίπτωση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν AI για να συναρμολογήσουν το «εγκέφαλο» ενός κβαντικού υπολογιστή.

Αυτό που έκανε η ομάδα ήταν να χρησιμοποιήσει τεχνητή νοημοσύνη για να βρει τον πιο βέλτιστο τρόπο να συναρμολογήσει γρήγορα ένα δίκτυο ατόμων που ενδέχεται να λειτουργήσει ως ο εγκέφαλος ενός κβαντικού υπολογιστή στο μέλλον.

Σύμφωνα με τον συν-συγγραφέα της μελέτης, Jian-Wei Pan, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας:

«Η AI για την επιστήμη αναδύεται ως ένα ισχυρό παράδειγμα για την αντιμετώπιση σύνθετων επιστημονικών προβλημάτων.»

Κατά την κατασκευή «πλέγματος ουδέτερων ατόμων», η πρόκληση είναι να βρεθεί ο τρόπος αναδιάταξής τους με «αποτελεσματικό, γρήγορο και κλιμακώσιμο τρόπο», κάτι που η AI έλυσε.

Τα ουδέτερα άτομα, τα παγιδευμένα ιόντα και τα υπεραγώγιμα κυκλώματα χρησιμοποιούνται από ερευνητές για τη δημιουργία qubits λόγω της ικανότητάς τους να διατηρούν κβανικές καταστάσεις για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα. Όταν τα άτομα χρησιμοποιούνται ως qubits, παγιδεύονται με λέιζερ και αποθηκεύουν κβαντικές πληροφορίες στα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων τους.

Η ιδέα είναι να χρησιμοποιηθούν αρκετά άτομα για να βοηθήσουν έναν κβαντικό υπολογιστή να ξεπεράσει τα σφάλματα. Έτσι, η ομάδα εκπαίδευσε το μοντέλο AI σχετικά με το πώς τα άτομα ρουβιδίου (Rb) μπορούν να τοποθετηθούν σε διαφορετικές διατάξεις πλέγματος χρησιμοποιώντας διάφορα μοτίβα λέιζερ. Στη συνέχεια, με βάση τις αρχικές θέσεις των ατόμων, το μοντέλο AI μπορεί να υπολογίσει το ακριβές μοτίβο φωτός που απαιτείται για την αναδιάταξή τους σε 2Δ και 3Δ σχήματα.

Χρησιμοποιώντας το μοντέλο AI, η ομάδα συναρμολόγησε ένα πλέγμα έως και 2.024 ατόμων ρουβιδίου σε μόλις 60 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η μελέτη σημείωσε:

«Αυτό το πρωτόκολλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για τη δημιουργία πλεγμάτων χωρίς ελαττώματα δεκάδων χιλιάδων ατόμων με τις τρέχουσες τεχνολογίες και να γίνει ένα χρήσιμο εργαλείο για την κβαντική διόρθωση σφαλμάτων.»

Διαλογή Μαγικών Καταστάσεων Λογικών Qubits

Την περασμένη μήνα, επιστήμονες πέτυχαν μια πρόοδο «μαγικής κατάστασης» για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών χωρίς σφάλματα.

Οι επιστήμονες πραγματικά επέδειξαν ένα φαινόμενο που ονομάζεται «διαλογή μαγικής κατάστασης», το οποίο, αν και προτάθηκε πριν από δύο δεκαετίες, δεν χρησιμοποιήθηκε σε λογικά qubits μέχρι τώρα. Αυτό συμβαίνει παρά το γεγονός ότι θεωρείται κρίσιμο για την παραγωγή «μαγικών καταστάσεων», οι οποίες απαιτούνται για την πλήρη αξιοποίηση του δυναμικού των κβαντικών υπολογιστών.

Τέτοιες καταστάσεις προετοιμάζονται εκ των προτέρων για χρήση ως πόροι από σύνθετους κβαντικούς αλγόριθμους.

Για τη χρήση τους από αλγόριθμους, οι μαγικές καταστάσεις υψηλότερης ποιότητας «καθαρίζονται» πρώτα μέσω μιας διαδικασίας φιλτραρίσματος που ονομάζεται διαλογή μαγικής κατάστασης. Ενώ είναι δυνατό σε απλά, επιρρεπή σε σφάλματα φυσικά qubits, αυτή η διαδικασία δεν είναι εφικτή σε λογικά qubits που έχουν διαμορφωθεί για την ανίχνευση και διόρθωση των σφαλμάτων.

Τώρα, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες έχουν δείξει τη διαλογή μαγικής κατάστασης στην πράξη σε λογικά qubits.

Χρησιμοποιώντας τον κβαντικό υπολογιστή ουδέτερων ατόμων Gemini, οι επιστήμονες διαλόγισαν πέντε ατελείς μαγικές καταστάσεις σε μία πιο καθαρή μαγική κατάσταση. Εκτελώντας αυτό σε λογικά qubits απόστασης-3 και απόστασης-5 ξεχωριστά, οι επιστήμονες έδειξαν ότι η διαδικασία διαλογής κλιμακώνεται με την ποιότητα του λογικού qubit.

Ως αποτέλεσμα, η πιστότητα της τελικής μαγικής κατάστασης υπερβαίνει οποιαδήποτε πιστότητα εισόδου, επιβεβαιώνοντας ότι η διαλογή μαγικής κατάστασης ανθεκτική σε διαταραχές λειτουργεί στην πράξη.

Ξεκλειδώνοντας την Κβαντική Μνήμη με Κυματισμούς Ήχου

Την περασμένη εβδομάδα, επιστήμονες του Caltech δημοσίευσαν την έρευνά τους που έδειξε ότι οι κυματισμοί ήχου ανοίγουν ακόμη έναν τρόπο για πρακτική κβαντική υπολογιστική.

Έχουν κατασκευάσει μια υβριδική κβαντική μνήμη που μετατρέπει ηλεκτρικές πληροφορίες σε ήχο. Αυτό επιτρέπει στις κβαντικές καταστάσεις να διαρκούν έως και τριάντα φορές περισσότερο από τα τυπικά υπεραγώγιμα συστήματα, όπου προσεκτικά σχεδιασμένοι ταλαντωτές επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να σχηματίζουν υπεραγώγιμα qubits που διαπρέπουν σε γρήγορες, σύνθετες λειτουργίες αλλά δεν είναι κατάλληλα για μακροπρόθεσμη αποθήκευση.

Η αποθήκευση πληροφοριών σε κβαντικές καταστάσεις παραμένει πρόκληση· για να την αντιμετωπίσουν, οι ερευνητές δημιουργούν «κβαντικές μνήμες» που διατηρούν κβαντικές πληροφορίες για χρονικό διάστημα που υπερβαίνει αυτό των ευρέως χρησιμοποιούμενων υπεραγώγιμων qubits. Και η καινοτόμος υβριδική μέθοδος της ομάδας του Caltech έχει επεκτείνει την κβαντική μνήμη.

«Μόλις έχετε μια κβαντική κατάσταση, μπορεί να μην θέλετε να κάνετε τίποτα με αυτήν αμέσως. Χρειάζεστε έναν τρόπο να επιστρέψετε σε αυτήν όταν θέλετε να εκτελέσετε μια λογική λειτουργία. Για αυτό, χρειάζεστε μια κβαντική μνήμη.»

– Mohammad Mirhosseini, βοηθός καθηγητής ηλεκτρολογικής μηχανικής και εφαρμοσμένης φυσικής

Έτσι, η ομάδα δημιούργησε ένα υπεραγώγιμο qubit σε ένα chip και το συνέδεσε με μια μικρή συσκευή που ονομάστηκε μηχανικός ταλαντωτής, που είναι ουσιαστικά ένα μικροσκοπικό διαβήτης.

Αυτός ο ταλαντωτής αποτελείται από ευέλικτες πλάκες που δονείται ως αντίδραση σε κυματισμούς ήχου σε συχνότητες GHz. Με την εφαρμογή ηλεκτρικού φορτίου, αυτές οι πλάκες αλληλεπιδρούν με ηλεκτρικά σήματα που μεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες, επιτρέποντας την κατεύθυνση των πληροφοριών στη συσκευή για αποθήκευση ως «μνήμη» και στη συνέχεια την εξαγωγή τους, ή «απομνημόνευση».

Κατά τη μέτρηση, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο ταλαντωτής είχε διάρκεια ζωής, δηλαδή το χρόνο που απαιτείται για να χάσει το κβαντικό περιεχόμενο αφού η πληροφορία εισαχθεί στη συσκευή, που ήταν περίπου 30 φορές μεγαλύτερη από αυτή των καλύτερων υπεραγώγιμων qubits.

Μεταξύ όλης αυτής της προόδου, δύο νέες μελέτες που υποστηρίζονται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) έχουν επιτύχει σημαντικές προόδους που μας φέρνουν ένα βήμα πιο κοντά στη πρακτική χρήση των κβαντικών υπολογιστών.

Νέα Κβαντικά Υλικά για Σταθερά Qubits

Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers, το Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι και το Πανεπιστήμιο Aalto παρουσίασε ένα κβαντικό υλικό που μπορεί να αλλάξει για πάντα την κβαντική υπολογιστική, καθιστώντας τους κβαντικούς υπολογιστές πιο σταθερούς. Το κάνει χρησιμοποιώντας μαγνητισμό για να προστατεύσει τα ευαίσθητα qubits από τον θόρυβο. 

Όταν συνδυαστεί με το υπολογιστικό τους εργαλείο για την εύρεση υλικών με μαγνητικές αλληλεπιδράσεις, αυτή η πρόοδος μπορεί τελικά να οδηγήσει σε πρακτικούς, ανθεκτικούς σε σφάλματα κβαντικούς υπολογιστές.

Ο νέος τύπος κβαντικού υλικού, μαζί με μια μέθοδο επίτευξης σταθερότητας, μπορεί να κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές πιο ανθεκτικούς, ανοίγοντας έτσι το δρόμο για την πρακτική τους χρήση στην επεξεργασία κβαντικών υπολογισμών.

Πρόσφατα, οι ερευνητές εξερευνούν ενεργά τη δυνατότητα δημιουργίας εντελώς νέων υλικών για την επίλυση του προβλήματος του θορύβου, παρέχοντας την προστασία που απαιτείται ενάντια στις διαταραχές στην τοπολογία τους.

Οι κβαντικές καταστάσεις που εμφανίζονται και διατηρούνται μέσω της εγγενούς δομής του υλικού που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία qubits ονομάζονται τοπολογικές διεγέρσεις. Αυτές είναι ανθεκτικές και σταθερές. Η πρόκληση, ωστόσο, παραμένει στην εύρεση υλικών που φυσικά υποστηρίζουν ανθεκτικές κβαντικές καταστάσεις.

Η πιο πρόσφατη μελέτη ανέπτυξε επιτυχώς ένα τέτοιο νέο κβαντικό υλικό για qubits που παρουσιάζει ανθεκτικές τοπολογικές διεγέρσεις.

Αυτό σηματοδοτεί μια ελπιδοφόρα κίνηση προς την πρακτική τοπολογική κβαντική υπολογιστική, ενσωματώνοντας τη σταθερότητα απευθείας στο σχεδιασμό του υλικού.

Σύμφωνα με τον κύριο συγγραφέα της μελέτης, Guangze Chen, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην εφαρμοσμένη κβαντική φυσική στο Chalmers:

«Αυτό είναι ένας εντελώς νέος τύπος εξωτικού κβαντικού υλικού που μπορεί να διατηρήσει τις κβαντικές του ιδιότητες όταν εκτίθεται σε εξωτερικές διαταραχές. Μπορεί να συμβάλει στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών αρκετά ανθεκτικών ώστε να αντιμετωπίζουν κβαντικούς υπολογισμούς στην πράξη.»

Τα «εξωτικά κβαντικά υλικά» αναφέρονται σε αρκετές νέες κατηγορίες στερεών με βαθιά ανθεκτικότητα και ακραίες κβαντικές ιδιότητες, και η αναζήτηση τέτοιων υλικών αποτελεί εδώ και καιρό πρόκληση.

Τώρα, όσον αφορά τη νέα μέθοδο της ομάδας, ο μαγνητισμός είναι το κλειδί. Αυτό που οι ερευνητές παραδοσιακά κάνουν είναι να ακολουθούν μια μακράς διάρκειας «συνταγή» βασισμένη στη συζευγήση σπιν-ορbιτών (SOC). Αυτό είναι μια κβαντική αλληλεπίδραση που συνδέει το σπιν ενός ηλεκτρονίου με την τροχιακή του κίνηση γύρω από τον πυρήνα του ατόμου για τη δημιουργία τοπολογικών διεγέρσεων.

Ωστόσο, αυτό είναι σχετικά σπάνιο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε περιορισμένο αριθμό υλικών. Ως εκ τούτου, η ομάδα παρουσίασε μια νέα μέθοδο για την επίτευξη του ίδιου αποτελέσματος. Η νέα μέθοδος αξιοποιεί τον μαγνητισμό, ο οποίος είναι πιο κοινός και προσβάσιμος.

Αξιοποιώντας τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις, η ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει ανθεκτικές τοπολογικές διεγέρσεις που απαιτούνται για την τοπολογική κβαντική υπολογιστική.

«Το πλεονέκτημα της μεθόδου μας είναι ότι ο μαγνητισμός υπάρχει φυσικά σε πολλά υλικά. Μπορείτε να το συγκρίνετε με το ψήσιμο με καθημερινά συστατικά αντί για σπάνια μπαχαρικά», σημείωσε ο Chen. «Αυτό σημαίνει ότι τώρα μπορούμε να αναζητήσουμε τοπολογικές ιδιότητες σε ένα πολύ ευρύτερο φάσμα υλικών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που προηγουμένως είχαν παραβλεφθεί.»

Εκτός από το νέο υλικό και τη μέθοδο, οι ερευνητές ανέπτυξαν επίσης ένα ολοκαίνουργιο υπολογιστικό εργαλείο.

Το εργαλείο τους βοήθησε να βρουν νέα υλικά με τις επιθυμητές τοπολογικές ιδιότητες πιο γρήγορα. Μπορεί να υπολογίσει άμεσα πόσο ισχυρή είναι η τοπολογική συμπεριφορά ενός υλικού.

«Η ελπίδα μας είναι ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει στην καθοδήγηση της ανακάλυψης πολλών ακόμη εξωτικών υλικών», είπε ο Chen. «Τελικά, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πλατφόρμες κβαντικών υπολογιστών επόμενης γενιάς, χτισμένες σε υλικά που είναι φυσικά ανθεκτικά στις διαταραχές που πλήττουν τα τρέχοντα συστήματα.»

Εκμετάλλευση της Αξιοποιήσιμης Δύναμης των Φωνόνων

Μια άλλη πρόοδος έχει επιτευχθεί από ερευνητές του Rice University, η οποία μπορεί να ανοίξει το δρόμο για τεχνολογίες επόμενης γενιάς στην ανίχνευση και την υπολογιστική. Αυτή έχει δείξει μια ισχυρή μορφή παρεμβολής μεταξύ φωνόνων.

Οι φωνόνες είναι δονήσεις στη δομή ενός υλικού που αποτελούν τις μικρότερες μονάδες θερμότητας ή ήχου σε αυτό το σύστημα. 

Όταν δύο φωνόνες με διαφορετικές κατανομές συχνοτήτων παρεμβαίνουν μεταξύ τους, το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως «αντίσταση Fano». Η μελέτη ανέφερε αντίσταση Fano δύο τάξεων μεγέθους μεγαλύτερη από ποτέ.

«Ενώ αυτό το φαινόμενο έχει μελετηθεί εκτενώς για σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια, η παρεμβολή μεταξύ φωνόνων έχει διερευνηθεί πολύ λιγότερο», είπε ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Kunyan Zhang, πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Rice. «Αυτή είναι μια χαμένη ευκαιρία, καθώς οι φωνόνες μπορούν να διατηρήσουν τη κυματική τους συμπεριφορά για μεγάλο χρονικό διάστημα, καθιστώντας τις υποσχόμενες για σταθερές, υψηλής απόδοσης συσκευές.»

Η μελέτη έχει αποδείξει αποτελεσματικά ότι οι φωνόνες μπορούν να αξιοποιηθούν εξίσου επιτυχώς με το φως ή τα ηλεκτρόνια, ανοίγοντας το δρόμο για τεχνολογίες νέας γενιάς βασισμένες σε φωνόνες. Η βάση αυτής της προόδου είναι η χρήση ενός 2Δ μετάλλου πάνω σε βάση από πυριτίο καρβιδίου.

Μεταξύ ενός στρώματος γραφενίου και πυριτίου καρβιδίου, η ομάδα εισήγαγε μερικά στρώματα ασημένιων ατόμων χρησιμοποιώντας την τεχνική περιορισμένης ετεροεπίπλασης, η οποία παρήγαγε μια στενά δεμένη διεπαφή με εξαιρετικές κβαντικές ιδιότητες.

«Το 2Δ μέταλλο ενεργοποιεί και ενισχύει την παρεμβολή μεταξύ διαφορετικών δονητικών τρόπων στο πυρίτιο καρβίδιο, φτάνοντας σε επίπεδα ρεκόρ.»

– Zhang

Για τη δουλειά τους, η ομάδα εξερεύνησε μόνο πώς οι φωνόνες παρεμβάλλονται μεταξύ τους. Για αυτό, εξέτασαν το σχήμα του σήματος τους στη φασματοσκοπία Raman, μια τεχνική που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των δονητικών τρόπων ενός υλικού. Αυτό που βρήκαν οι ερευνητές ήταν ένα έντονα ασύμμετρο σχήμα γραμμής, που παρουσίαζε μια πλήρη βύθιση σε ορισμένες περιπτώσεις, σχηματίζοντας ένα μοτίβο αντι-αντίστασης χαρακτηριστικό έντονης παρεμβολής.

Αυτό το φαινόμενο έδειξε υψηλή ευαισθησία στις ιδιαιτερότητες της επιφάνειας του πυριτίου καρβιδίου (SiC).

Κατά τη σύγκριση τριών μοναδικών τερματισμών της επιφάνειας SiC, οι ερευνητές βρήκαν ισχυρή σύνδεση μεταξύ καθενός από αυτούς και του μοναδικού σχήματος γραμμής Raman. Επιπλέον, το σχήμα της φασματικής γραμμής άλλαξε σημαντικά όταν ένα μόνο μόριο χρώματος εισήχθη στην επιφάνεια.

«Αυτή η παρεμβολή είναι τόσο ευαίσθητη που μπορεί να ανιχνεύσει την παρουσία ενός μόνο μορίου», είπε ο Zhang. «Επιτρέπει την ανίχνευση μορίου χωρίς ετικέτα με μια απλή και κλιμακώσιμη ρύθμιση. Τα αποτελέσματά μας ανοίγουν ένα νέο μονοπάτι για τη χρήση φωνόνων στην κβαντική ανίχνευση και στην ανίχνευση μορίων επόμενης γενιάς.»

Κατά την εξέταση της δυναμικής του φαινομένου σε χαμηλές θερμοκρασίες, επιβεβαιώθηκε ότι η παρεμβολή προέρχεται αποκλειστικά από αλληλεπιδράσεις φωνόνων και όχι από ηλεκτρόνια, καθιστώντας το μια σπάνια περίπτωση κβαντικής παρεμβολής μόνο φωνόνων.

Η ομάδα παρατήρησε αυτό το φαινόμενο μόνο στο σύστημα 2Δ πυριτίου καρβιδίου που χρησιμοποίησαν λόγω των διαμορφώσεων της επιφάνειας και των ειδικών διαδρομών μετάβασης που ενεργοποιούνται από το λεπτό στρώμα.

«Σε σύγκριση με τα συμβατικά αισθητήρια, η μέθοδός μας προσφέρει υψηλή ευαισθησία χωρίς την ανάγκη ειδικών χημικών ετικετών ή πολύπλοκης ρύθμισης συσκευής», είπε η συν-συγγραφέας Shengxi Huang, αναπληρωτής καθηγήτρια ηλεκτρικής και υπολογιστικής μηχανικής και επιστήμης υλικών και νανομηχανικής στο Rice. «Αυτή η προσέγγιση βασισμένη σε φωνόνες όχι μόνο προάγει την μοριακή ανίχνευση, αλλά ανοίγει επίσης συναρπαστικές δυνατότητες στην ενεργειακή συλλογή, τη θερμική διαχείριση και τις κβαντικές τεχνολογίες, όπου ο έλεγχος των δονήσεων είναι κλειδί.»

Σύρετε για κύλιση →

Επένδυση στην Κβαντική Υπολογιστική

Πολλοί μεγάλοι τεχνολογικοί γίγαντες και επενδυτές τοποθετούν μεγάλα στοιχήματα σε κβαντικές προόδους. Αυτό περιλαμβάνει εταιρείες όπως η IBM (IBM ), η Google, η Amazon, η Microsoft (MSFT ), και πολλές άλλες. Όλοι επεκτείνουν τις κβαντικές πρωτοβουλίες τους, ενώ το κεφάλαιο επιχειρηματικού κινδύνου συνεχίζει να ρέει αδιάκοπα σε νεοσύστατες εταιρείες που εξερευνούν νέα υλικά, διόρθωση σφαλμάτων και φωνονικές τεχνολογίες.

Microsoft (MSFT )

Ανάμεσα σε όλα αυτά τα μεγάλα ονόματα, η Microsoft ξεχωρίζει σημαντικά. Έχει προωθήσει τόσο τις κβαντικές όσο και τις πυρηνικές επενδύσεις, παρουσιάζοντάς τες ως συμπληρωματικές τεχνολογίες για την τροφοδότηση κέντρων δεδομένων με AI στο μέλλον. Παρόμοια, το κβαντικό AI εργαστήριο της Google και οι πολυετές κβαντικοί οδικοί χάρτες της IBM αντικατοπτρίζουν τον στόχο τους για την επίτευξη πρακτικών κβαντικών μηχανών μέσα στη δεκαετία.

Η τιμή της μετοχής της Microsoft αυξήθηκε από περίπου $354 στις αρχές Απριλίου 2025 σε κορυφή πάνω από $524 τον Αύγουστο, πριν μειωθεί ξανά γύρω στα $509 στις 19 Αυγούστου. Η τρέχουσα αποτίμηση της εταιρείας περιλαμβάνει P/E 38,1, κέρδη ανά μετοχή (TTM) $13,70 και απόδοση μερίσματος 0,59%. Για το οικονομικό έτος 2025, τα έσοδα ανήλθαν σε $281,7 δισεκατομμύρια και το καθαρό κέρδος σε $101,8 δισεκατομμύρια. Η ζήτηση για τις υπηρεσίες cloud και AI, ιδιαίτερα, βοηθά στην ενίσχυση της απόδοσής της.

Τελευταία Ειδήσεις και Εξελίξεις Μετοχής της Microsoft Corporation (MSFT)

Συμπέρασμα

Οι κβαντικοί υπολογιστές διαθέτουν τη δυνατότητα να εκτελούν σύνθετους υπολογισμούς με ταχύτητες πολύ υπερβαίνοντας εκείνες των κλασικών υπολογιστών, κάτι που υπόσχεται να επιφέρει προόδους σε διάφορους τομείς, όπως η ανακάλυψη φαρμάκων, η επιστήμη υλικών, η AI και η κρυπτογραφία.

Αλλά φυσικά, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ακόμη μακριά από την πραγματικότητα, αντιμετωπίζοντας προκλήσεις όπως ο θόρυβος, η κλιμακωσιμότητα, η σταθερότητα, η αποθήκευση, η μνήμη και ο έλεγχος. Από την άλλη, οι ερευνητές σημειώνουν συνεχόμενη πρόοδο σε όλα αυτά τα πεδία, και μαζί μας φέρνουν πιο κοντά το ξεκλείδωμα πρακτικών κβαντικών υπολογιστών!

Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τις πέντε κορυφαίες εταιρείες κβαντικής υπολογιστικής.

Αναφορές:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., κ.α. Καθολική κβαντική υπολογιστική χρησιμοποιώντας Ising anyons από μη ημι-απλή τοπολογική κβαντική θεωρία πεδίου. Nature Communications, 16, 6408, δημοσιεύτηκε 05 Αυγούστου 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (15 Αυγούστου 2025). Η AI βοηθά στη συναρμολόγηση του «εγκεφάλου» του μελλοντικού κβαντικού υπολογιστή. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, J. M., Jepsen, P. N., κ.α. Πειραματική επίδειξη λογικής διαλογής μαγικής κατάστασης. Nature, δημοσιεύτηκε 14 Ιουλίου 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., κ.α. Μηχανική κβαντική μνήμη για μικροκυμάτων φωτόνια. Nature Physics, δημοσιεύτηκε 13 Αυγούστου 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, E. L., Lado, J. L., & Chen, G. Τοπολογικές μηδενικές καταστάσεις και αντλία συσχέτισης σε μηχανικό πλέγμα Kondo. Physical Review Letters, 134(11), 116605, δημοσιεύτηκε Μάρτιο 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., κ.α. Ρυθμιζόμενη φωνονική κβαντική παρεμβολή που προκαλείται από δισδιάστατα μέταλλα. Science Advances, 11, eadw1800, δημοσιεύτηκε 2025. https://doi