Διάκριση συνεργασίας Καθηγητή Δημητρίου Γ. Αγγελάκη με την Google στους Κβαντικούς Προσομοιωτές

Ο Καθηγητής της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών του Πολυτεχνείου Κρήτης Δημήτρης Γ. Αγγελάκης συνεργάστηκε με την Google για την υλοποίηση κβαντικών προσομοιώσεων σε πρότυπο κβαντικό επεξεργαστή. Tα ερευνητικά αποτελέσματα της συνεργασίας δημοσιεύτηκαν στο κορυφαίο περιοδικό της επιστήμης Science, την 1η Δεκεμβρίου και αποτελούν σταθμό στο πεδίο.

«Οι κβαντικοί προσομοιωτές είναι ειδικού τύπου κβαντικοί υπολογιστές, σχεδιασμένοι να λύνουν δύσκολα ή και άλυτα μέχρι τώρα προβλήματα, όχι μόνο στη Φυσική, αλλά και στη Χημεία, στην Επιστήμη Υλικών, και στη Βιολογία. Αναμένεται να έχουν πολλαπλές εφαρμογές μεταξύ άλλων στο σχεδιασμό νέων προηγμένων υλικών, χημικών ενώσεων ακόμα και φαρμάκων με ειδικές ιδιότητες» εξηγεί ο κ. Αγγελάκης.

Η ομάδα του κ. Αγγελάκη, σε συνεργασία με το Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών της Σιγκαπούρης, και την ομάδα του Καθ. J. Martinis της Google στην Καλιφόρνια, προσομοίωσε σε πρώτη φάση την “Πεταλούδα του Hofstaedter” και σε δεύτερη το φαινόμενο του «πολυ-σωματιδιακού εντοπισμού».

«Δουλεύουμε εδώ και καιρό πάνω στην ιδέα της χρήσης φωτόνιων σε κβαντικά τσιπ για κβαντικούς προσομοιωτές. Με την συνεργασία με την Google τα παραπάνω έγιναν πραγματικότητα», αναφέρει ο κ. Αγγελάκης.

«Με κβαντικά τσιπ όπως αυτό που χρησιμοποιήσαμε σε αυτή την συνεργασία, προσπαθούμε να κατασκευάσουμε κβαντικούς επεξεργαστές και προσομοιωτές και να μελετήσουμε ένα εύρος από φαινόμενα στην Φυσική αλλά και σε άλλες περιοχές», λέει ο Δρ. Pedram Roushan, κβαντικός μηχανικός στο εργαστήριο της Google.

Η φρακταλική δομή της Πεταλούδας είχε προβλεφθεί το 1976 και χαρακτηρίζει τις ενέργειες των ηλεκτρόνιων μέσα σε πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία. Μέχρι τώρα η παρατήρηση της ήταν αρκετά δύσκολη έως αδύνατη λόγω των τεράστιων τιμών του μαγνητικού πεδίου που απαιτούνταν. Ο κ. Αγγελάκης, πρότεινε την προσομοίωση του φαινομένου με την χρήση φωτονίων παγιδευμένων μέσα σε υπεραγώγιμα κυκλώματα στο ρόλο των ηλεκτρονίων, το δε μαγνητικό πεδίο προσομοιώθηκε από ειδικές πύλες στο κβαντικό κύκλωμα. Η ομάδα της Google πραγματοποίησε το πείραμα σε ένα κβαντικό τσιπ με 9 qubits (εικόνα) με τα αποτελέσματα να επαληθεύουν πλήρως τους υπολογισμούς της ομάδας Αγγελάκη.

Το πείραμα βασίστηκε σε μια καινούργια μέθοδο προσδιορισμού του ενεργειακού φάσματος που αναπτύχθηκε με το όνομα «κτύπα και άκου». Η μέθοδος προσδιορίζει τις δυνατές κβαντικές ιδιο-ενέργειες και ιδιοκαταστάσεις ενός συστήματος με την τοποθέτηση του συστήματος αρχικά σε κατάλληλα επιλεγμένες ενεργειακές καταστάσεις, και κατόπιν την παρακολούθηση της εξέλιξης του στο χρόνο.

«Είναι όπως όταν κτυπάς μια καμπάνα ή μια χορδή» εξηγεί ο κ Αγγελάκης. «Ο ήχος που βγαίνει είναι υπέρθεση όλων των δυνατών αρμονικών και εξαρτάται από το σημείο και την ένταση του κτυπήματος. Κτυπώντας σε διαφορετικά σημεία και ακούγοντας για αρκετό χρόνο, μπορεί κανείς προσδιορίσει τις κρυμμένες αρμονικές με μεγάλη ακρίβεια. Κάναμε το ίδιο με το κβαντικό τσιπ, «κτυπώντας» το με φωτόνια και παρακολουθώντας την εξέλιξη του στο χρόνο».

Στέλνοντας ένα φωτόνιο την φορά, σε διαφορετικά σημεία του κβαντικού κυκλώματος, η ομάδα κατάφερε να αναπαράγει την Πεταλούδα του Hofstaedter (μικρή εικόνα). Στέλνοντας 2 φωτόνια την φορά, μελέτησαν το πολύπλοκο φαινόμενο του «πολυ-σωματιδιακού εντοπισμού». Ο τελευταίος χαρακτηρίζει κβαντικές αλλαγές φάσης της ύλης-παρόμοιες με την αλλαγή του νερού σε πάγο-αλλά σε κβαντικό επίπεδο, και χαρακτηρίζει μεταξύ άλλων και τις αγώγιμες ή μονωτικές ιδιότητες των υλικών.

Η κατανόηση του μηχανισμού του «πολυ-σωματιδιακού εντοπισμού» είναι ένα από τα πιο δύσκολα προβλήματα στη Φυσική τα τελευταία χρόνια. Εκτός από κάποιες ειδικές περιπτώσεις, παραμένει άλυτο παρ’ όλες τις προσπάθειες των επιστημόνων. Την δεκαετία του ‘50 είχε μελετηθεί πρώτα από τον μεγάλο Αμερικανό Φυσικό PW Anderson που έδειξε πως όταν αγνοηθούν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων, η αταξία σε ένα στερεό το οδηγεί σε εντοπισμό και σε απώλεια της αγωγιμότητας του. Στην περίπτωση όμως που οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων είναι ισχυρές, τότε το πρόβλημα γίνεται “πολλών σωμάτων» και είναι αδύνατο να λυθεί με αναλυτικές αλλά και υπολογιστικές μεθόδους. Η πραγματοποίηση δε ελεγχόμενων πειραμάτων σε πραγματικά υλικά είναι σχεδόν αδύνατη λόγω της πολυπλοκότητας των πραγματικών υλικών στην Φύση.

Η ομάδα Αγγελάκη και η ομάδα της Google κατάφεραν να κάνουν το κβαντικό τσιπ να μιμηθεί ένα πραγματικό υλικό σε συνθήκες ελεγχόμενου πολυ-σωματιδιακού εντοπισμού και έτσι να κατανοήσουν σε βάθος το φαινόμενο χρησιμοποιώντας την μέθοδο τους «κτύπα και άκου».

«Κβαντικά συστήματα σε φάση πολύ-σωματιδιακού εντοπισμού, διατηρούν μεγάλο μέρος από την αρχική κβαντική κατάσταση τους για σχεδόν άπειρο χρόνο, και μπορούν έτσι να χρησιμοποιηθούν σαν ιδανικά αποθηκευτικά μέσα κβαντικής πληροφορίας» λέει ο κ. Αγγελάκης. «Φανταστείτε τα σαν τεράστιας χωρητικότητας κβαντικούς σκληρούς δίσκους, διαστάσεων μερικών χιλιοστών του μέτρου», καταλήγει.

Πηγή: Πολυτεχνείο Κρήτης

Περισσότερα στη δημοσίευση: Spectroscopic signatures of localization with interacting photons in superconducting qubits. Science.