Σύνταξη – επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης
Μεγαλώνοντας σε ένα αγρόκτημα στην Αυστραλία, ο Liam Hall ήταν μηχανικός που ήταν μονίμως «λερωμένος με λάδια και γεμάτος γρατζουνιές» – όμως τα τελευταία χρόνια η καριέρα του έχει πάρει μια πιο τεχνική τροπή. Τώρα είναι επικεφαλής της κβαντικής βιοτεχνολογίας στο CSIRO, τον εθνικό επιστημονικό οργανισμό της Αυστραλίας.
«Έχω λίγο περίεργο ιστορικό. Πάντα ήθελα να γίνω μηχανικός ντίζελ. Ασκώντας αυτό για λίγο, με οδήγησε στο να θέλω να κάνω μηχανική στο πανεπιστήμιο. Αυτό με εισήγαγε στη φυσική και μετά στην κβαντική φυσική. Κάτι σαν τρενάκι του λούνα παρκ είναι ένας καλός τρόπος να το περιγράψει κανείς», λέει.
Η ομάδα του έχει αναπτύξει διαγνωστικές τεχνολογίες, πειραματιζόμενη με μικροαισθητήρες κατασκευασμένους από μικροσκοπικές λωρίδες διαμαντιών μεγέθους περίπου 50 νανομέτρων (περίπου 1.000 φορές λεπτότερες από την ανθρώπινη τρίχα) για να προσδιορίσει τα επίπεδα σιδήρου των ασθενών.
Οι τρέχουσες μέθοδοι αφορούν μια πρωτεΐνη γνωστή ως φερριτίνη, τον μηχανισμό αποθήκευσης σιδήρου του σώματος. Ενώ η παρακολούθηση της φερριτίνης είναι ένας καλός τρόπος για τη μέτρηση του σιδήρου, θα ήταν πιο ακριβές να μετρηθούν τα πραγματικά επίπεδα σιδήρου μέσα στην πρωτεΐνη.
Μία μέθοδος για να γίνει αυτό θα ήταν να μετρηθούν τα μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από τον σίδηρο. Όμως υπάρχει ένα μεγάλο πρόβλημα με αυτή την προσέγγιση. «Το μαγνητικό πεδίο είναι εντελώς μικροσκοπικό και εκτός της μέτρησης οποιωνδήποτε παραδοσιακών μαγνητομέτρων ή μικροσκοπίων», εξηγεί ο Hall.
Ωστόσο, οι κβαντικοί αισθητήρες νανοκλίμακας του Hall μπορούν να ανιχνεύσουν αυτά τα μικροσκοπικά πεδία και να τα μετρήσουν. Πιστεύει ότι στο μέλλον, η τεχνολογία θα μπορούσε να αναπτύξει μια μέθοδο πρώιμης ανίχνευσης για οποιαδήποτε συγκεκριμένη ασθένεια, συμπεριλαμβανομένης της παρακολούθησης ορισμένων ορμονών ή πρωτεϊνών που μπορεί να υποδηλώνουν την ύπαρξη καρκίνου σε αρχικά στάδια. «Το πλεονέκτημα των κβαντικών συστημάτων ήταν πάντα ότι μπορούν να επιτύχουν πολύ καλύτερη ευαισθησία και ευκολότερο εντοπισμό χημικών ουσιών με πολύ χαμηλότερο κόστος», λέει ο Δρ Hall.
Η ομάδα του είναι μέρος μιας παγκόσμιας κίνησης για την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών. Η Βρετανία, η Κίνα, οι ΗΠΑ και άλλες χώρες προσπαθούν να εκμεταλλευτούν τις περίεργες ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής. «Το Quantum είναι μια από τις πιο υποσχόμενες ευκαιρίες ανάπτυξης της Αυστραλίας – μια ευκαιρία να δημιουργήσει νέες αγορές και νέες εφαρμογές», δήλωσε ο επικεφαλής επιστήμονας του CSIRO, καθηγητής Bronwyn Fox.
Η κβαντομηχανική προέκυψε στις αρχές του 20ου αιώνα από μελέτες των πιο μικρών στοιχείων της φύσης. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι έχει τη δυνατότητα να επεκτείνει την κατανόησή μας για το σύμπαν και να λύσει πολύπλοκα προβλήματα με αστραπιαίες ταχύτητες.
Το εύρος των εφαρμογών φαίνεται τεράστιο, από την πρόοδο στην περιβαλλοντική επιστήμη και την απαλλαγή από τις εκπομπές άνθρακα, στην ασφάλεια στον κυβερνοχώρο και στα νέα φάρμακα. Θα μπορούσαν να υπάρχουν μόρια που «τρώνε τον άνθρακα» και τον απομακρύνουν από την ατμόσφαιρα, κβαντικές μπαταρίες για να τροφοδοτήσουν αυτοκίνητα, αεροσκάφη που έχουν σχεδιαστεί για να μειώνουν τις εκπομπές τους και υλικοτεχνική υποστήριξη για τη μείωση της κυκλοφοριακής συμφόρησης.
Μια φιλοδοξία της κβαντικής έρευνας είναι να αξιοποιήσει τη δύναμη των υποατομικών σωματιδίων για την αποθήκευση και την επεξεργασία δεδομένων. Ενώ οι συμβατικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν γενικά το bit (μηδενικό και τον αριθμό ένα), οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν qubits, τα οποία μπορεί να υπάρχουν ως μηδενικό και ένα ή συνδυασμοί και των δύο bits ταυτόχρονα.
Εδώ είναι που τα πράγματα μπορεί να γίνουν λίγο περίπλοκα, όπου τα σωματίδια μπορούν να υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα (αυτό ονομάζεται υπερθέση), και επίσης να είναι συνυφασμένα (ή μπλεγμένα) μεταξύ τους. «Χρησιμοποιώντας αυτήν την αρχή της κβαντικής υπερθέσης (superposition) μαζί με ένα άλλο κβαντικό φαινόμενο γνωστό ως εμπλοκή (entanglement), μας δίνεται η δυνατότητα να εκτελέσουμε υπολογισμούς που είναι απλά αδύνατοι χρησιμοποιώντας συμβατικούς υπολογιστές. Ανοίγει τη δυνατότητα να κάνουμε μερικούς εκπληκτικούς υπολογισμούς που μπορούν να αλλάξουν τον κόσμο», εξηγεί ο καθηγητής Andrew Dzurak από το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας.
«Φανταστείτε μια παραλλαγή του Covid ή μια άλλη φρικτή πανδημία. Μόλις καταλάβουμε τη μοριακή δομή αυτού του ιού, που μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τυπικές τεχνικές εργαστηρίου, πηγαίνουμε στον κβαντικό υπολογιστή και υπολογίζουμε πώς να φτιάξουμε ένα μόριο που επιτίθεται συγκεκριμένα σε αυτόν τον ιό. Αυτό το πρόβλημα λύνεται σε μια μέρα και όχι στους έξι ή εννέα μήνες που χρειάστηκαν όλα τα μεγαλύτερα μυαλά βιολογικών εργαστηρίων και φαρμακευτικών εταιρειών στον πλανήτη, προκειμένου να βρουν τα εμβόλια για τον Covid», λέει ο Dzurak
Η δύναμη που οδηγεί στον κβαντικό υπολογισμό προέρχεται από τη εμπλοκή, ένα φυσικό φαινόμενο, σύμφωνα με τον Δρ Muhammed Usman, επικεφαλής της ομάδας στο Data 61, μια επιχείρηση εντός του CSIRO. Είναι πολύπλοκο και δεν είναι εύκολο να το καταλάβει κανείς. Ειδικά σωματίδια, συχνά φωτόνια, ή κηλίδες φωτός, μπορεί να βρίσκονται σε δύο διαφορετικά σημεία ταυτόχρονα, αλλά να παραμένουν ισχυρά συνδεδεμένα παρόλο που δεν είναι φυσικά συνδεδεμένα. «Θα έλεγα ότι κανείς στον κόσμο δεν κατανοεί πλήρως τα βασικά της εμπλοκής», είναι η ειλικρινής εκτίμηση του Δρ Usman.
Θα μπορούσε να υπάρχει ένα κβαντικό διαδίκτυο; Πολύ πιθανό. Τα δεδομένα ενδέχεται να αποστέλλονται μέσω οπτικών ινών χρησιμοποιώντας σωματίδια φωτός, καθιστώντας σχεδόν αδύνατη την υποκλοπή ή την παραβίαση.
Στις ΗΠΑ, το Πανεπιστήμιο του Σικάγο έχει κατασκευάσει ένα από τα μεγαλύτερα κβαντικά δίκτυα της χώρας. Έχει μήκος σχεδόν 200 χιλιόμετρα και συνεχίζει να μεγαλώνει. Ο David Awschalom είναι ο καθηγητής της Έδρας της οικογένειας Liew, Μοριακής Μηχανικής και Φυσικής στη Σχολή Μοριακής Μηχανικής Pritzker του Πανεπιστημίου του Σικάγο. Είναι επίσης ο ιδρυτικός διευθυντής του Chicago Quantum Exchange (CQE), μιας κοινοπραξίας με έδρα το Πανεπιστήμιο του Σικάγο που έχει συνεργασίες με ειδικούς στην Αυστραλία, την Ινδία, την Ιαπωνία, την Ολλανδία και το Ισραήλ. Το CQE ηγείται επίσης του The Bloch Quantum Tech Hub, ενός συνασπισμού βιομηχανικών, ακαδημαϊκών, κυβερνητικών και μη κερδοσκοπικών εταίρων που αναμένεται να δημιουργήσει 30.000 θέσεις εργασίας κβαντικής μηχανικής μέχρι το 2035 και να προσθέσει 60 δις δολάρια στην οικονομία. «Έχουμε επεκτείνει όσο μακριά μπορούμε να στείλουμε ασφαλή κβαντικά μηνύματα μέσα από πολλά μίλια υπόγειας ίνας», εξηγεί ο Awschalom.
«Όμως υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν. Με τον κβαντικό υπολογισμό, για παράδειγμα, εργαζόμαστε για τη διατήρηση της κβαντικής συνοχής, που σημαίνει τη διατήρηση ανέπαφου ενός κβαντικού συστήματος, τη διόρθωση σφαλμάτων, που σημαίνει τον εντοπισμό και τη διόρθωση σφαλμάτων που προκαλούνται από την απώλεια της συνοχής και τέλος την επεκτασιμότητα που σημαίνει το κβαντικό σύστημα να είναι σε θέση να αυξήσει τον αριθμό των qubits προκειμένου να λύσει πιο σύνθετα προβλήματα», προσθέτει.
Χρόνια επίπονης έρευνας περιμένουν, αλλά το μέλλον φαίνεται να πλησιάζει γρήγορα προς το μέρος μας.
«Η κβαντική τεχνητή νοημοσύνη είναι ένας από τους βασικούς τομείς έρευνας στην ομάδα μας. Η μηχανική μάθηση και η τεχνητή νοημοσύνη είναι πολύ εντατική υπολογιστικά και ο κβαντικός υπολογισμός υπόσχεται μεγάλη υπολογιστική ισχύ», εξηγεί ο Δρ Usman του CSIRO.
«Για παράδειγμα, αυτοοδηγούμενα αυτοκίνητα ή drones που πετούν σε πεδία μάχης με φονικά όπλα. Μπορούμε να εμπιστευτούμε την τεχνητή νοημοσύνη; Αυτό που βρήκαμε είναι ότι η ενσωμάτωση του κβαντικού υπολογισμού στην τεχνητή νοημοσύνη οδηγεί σε πολύ αξιόπιστα συστήματα», συμπληρώνει. «Το όνειρό μου που θέλω να γίνει πραγματικότητα είναι να υπάρχουν διαθέσιμοι κβαντικοί υπολογιστές μεγάλης κλίμακας στους οποίους να μπορούμε να τρέξουμε κβαντικούς αλγόριθμους που αναπτύσσω τώρα, προκειμένου να δώσουμε λύσεις στα προβλήματα που δεν έχουμε βρει ακόμα και που θα φέρουν επανάσταση σε όλα», καταλήγει.
Πηγή: BBC News
