κβαντικοί υπολογιστές (2 άρθρα)

Όποιος παρακολουθεί τις συζητήσεις και όσα γράφονται γύρω από την κβαντική πληροφορική, μπορεί να πιστέψει ότι είμαστε πολύ κοντά στη χρήση υπολογιστών αρκετά εξελιγμένων, που θα μπορούν να αναδημιουργήσουν, για παράδειγμα, τον χρόνο και τον χώρο ή να ανακατασκευάσουν το ανθρώπινο μυαλό. Τίποτε από αυτά δε συμβαίνει προς το παρόν.

«Σε αυτό το πρώιμο ερευνητικό στάδιο, οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται πολύ περισσότερα από όσα μπορούν, στην ουσία, να προσφέρουν, αλλά ο κόσμος της τεχνολογίας βρίσκεται σε αναβρασμό», σημειώνει ο αρθρογράφος Josh Jones στην πλατφόρμα Open Culture. Ο ίδιος παρουσιάζει τον τρόπο με τον οποίο οι μεγάλες εταιρείες πληροφορικής, όπως η IBM, προετοιμάζονται για τη μετάβαση από τους κλασικούς υπολογιστές στην κβαντική εποχή, αναφερόμενος στις εφαρμογές που δοκιμάζουν χτισμένες γύρω από το qubit, την κβαντική, δηλαδή, εκδοχή του γνώριμου bit των κλασικών υπολογιστών.

Με τη χρήση του δυαδικού ψηφίου (bit) στους σημερινούς υπολογιστές, η πληροφορία περιορίζεται μόνο σε δύο τιμές: ένα ή μηδέν. Το qubit με τη σειρά του μιμείται τα κβαντικά φαινόμενα παραμένοντας σε μια κατάσταση υπέρθεσης όλων των πιθανών καταστάσεων μεταξύ 1 και 0 έως ότου οι χρήστες αλληλεπιδράσουν μαζί του. Τα qubits, όπως τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να περιπλέκονται μεταξύ τους. «Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν εξαιρετικά καλά στη μοντελοποίηση άλλων κβαντικών συστημάτων, επειδή χρησιμοποιούν κβαντικά φαινόμενα στους υπολογισμούς τους», συμπληρώνουν, αινιγματικά, οι εκπρόσωποι της Microsoft.

Στο βίντεο που ακολουθεί, ο φυσικός και διάσημος YouTuber επιστημονικών θεμάτων Dominic Walliman επιχειρεί μία χαρτογράφηση του πεδίου της κβαντικής πληροφορικής, εξηγώντας τη λειτουργία, τις εφαρμογές, τα διαφορετικά μοντέλα και προσεγγίσεις που αξιοποιούνται στην έρευνα για την κατασκευή των υπολογιστών του μέλλοντος.

Ο Walliman ξεκαθαρίζει τις παρανοήσεις που υπάρχουν γύρω από το θέμα, εξηγεί τις τρεις βασικές ιδέες – την υπέρθεση, τη διεμπλοκή και την παρεμβολή – που διέπουν την κβαντική πληροφορική, και λέει: «Η κύρια διαφορά μεταξύ κβαντικής και κλασικής πληροφορικής είναι η αλγοριθμική ταχύτητα: ενώ οι κλασικοί υπολογιστές θα μπορούσαν θεωρητικά να εκτελέσουν τις ίδιες πολύπλοκες λειτουργίες με τα κβαντικά ξαδέλφια τους, θα χρειάζονταν αιώνες για να το κάνουν ή θα έσβηναν πριν ολοκληρώσουν την προσπάθειά τους».

Θα μπορέσουν, τελικά, οι κβαντικοί υπολογιστές να προσομοιώσουν στο μέλλον τη φύση μέχρι το υποατομικό επίπεδο; Παρά την ταχεία ανάπτυξη του κλάδου, «δεν είναι ακόμη σαφές», απαντά ο Walliman, «ποια προσέγγιση θα επικρατήσει μακροπρόθεσμα».

Πηγή

Τι είναι και πώς λειτουργεί ο κβαντικός υπολογιστής; Πώς διαφέρει ένα κβαντικό τηλέφωνο από το συνηθισμένο; Και πόσο ασφαλής θα είναι ένας κβαντικός τραπεζικός κωδικός; Η εποχή της νέας τεχνολογικής επανάστασης έχει ήδη αρχίσει και αναμένεται εξίσου συναρπαστική με εκείνη του περάσματος από τη συμβατική, στην ψηφιακή. 

Καταρχήν, τα κβαντικά φαινόμενα στην επιστήμη είναι από καιρό γνωστά – οι ανακαλύψεις του Μαξ Πλανκ έγιναν στις αρχές του περασμένου αιώνα.

Οι πρώτες συσκευές που κατασκευάστηκαν εξ ολοκλήρου με βάση τις αρχές της κβαντικής μηχανικής είναι επίσης γνωστές εδώ και πολύ καιρό, με τον οδυνηρότερο τρόπο: Η ατομική ή θερμοπυρηνική βόμβα είναι καθαρά εφαρμοσμένη κβαντική τεχνολογία. Αλλά και τα πρότυπα συχνοτήτων που υπάρχουν εδώ και αρκετές δεκαετίες.

Αυτό που τώρα γίνεται κατανοητό από τις κβαντικές τεχνολογίες στον σύγχρονο κόσμο είναι κάτι διαφορετικό. Αν, νωρίτερα, είχαμε ολόκληρα σύνολα κβαντικών σωματιδίων, όπως μια ατομική βόμβα, τώρα οι άνθρωποι έχουν μάθει να χειρίζονται μεμονωμένα άτομα, φωτόνια και ιόντα. Σήμερα ζούμε σε μια εποχή γρήγορης ανάπτυξης τεχνολογιών που εισάγονται και λειτουργούν στα εργαστήρια φυσικής. Πλέον είναι διαθέσιμα τέτοια μέσα και εργαλεία, τα οποία δεν μπορούσαμε να ονειρευόμαστε πριν από δέκα χρόνια. Χάρη σε αυτό το τεχνολογικό άλμα, προσεγγίσαμε τη δεύτερη κβαντική επανάσταση.

Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής;

Ο κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί τις ιδιότητες της κβαντομηχανικής, όπως την κβαντική διεμπλοκή*, για την επεξεργασία των δεδομένων.

Ο καθηγητής εξηγεί πως ο κβαντικός υπολογιστής  δεν θα έχει καμία σχέση με τους σημερινούς υπολογιστές, ανεξαρτήτως μορφής (λάπτοπ, σταθερούς, τάμπλετ κλπ), αλλά, ταυτόχρονα, μπορεί και να μοιάζει – σε ορισμένες μορφές του – με τους σημερινούς, αφού, ουσιαστικά, ένας κβαντικός υπολογιστής είναι ένας «συνεπεξεργαστής» στον υπολογιστικό πυρήνα ενός κλασικού υπολογιστή.

Θα πρόκειται, δηλαδή, για μια συνδυαστική επεξεργασία, αφού, όπως εξηγεί, τα περισσότερα από τα στοιχεία που συγκροτούν έναν κβαντικό υπολογιστή είναι επίσης hardware (σσ. τα φυσικά εξαρτήματα ενός υπολογιστή), όπως τα τροφοδοτικά. Αυτός ο εξοπλισμός θα ελέγχεται από τον κλασικό υπολογιστή στον οποίο θα υπάρχουν τα δεδομένα που θα φορτώνονται στον κβαντικό υπολογιστή και θα ανακτώνται από αυτόν. Στη συνέχεια θα επεξεργάζονται από έναν υπερυπολογιστή.

Δηλαδή ο κβαντικός υπολογιστής δεν θα είναι για οικιακή χρήση, αλλά μόνο για τη λύση συνθέτων προβλημάτων;

Είναι θέμα βελτιστοποίησης, λέει ο καθηγητής. Για παράδειγμα, υπάρχουν αλγόριθμοι που θα λυθούν πολύ πιο αποτελεσματικά με τη βοήθεια κβαντικών υπολογιστικών συσκευών, αν και ούτε οι επιστήμονες ακόμη δεν μπορούν να διατυπώσουν πολλά από αυτά τα προβλήματα σε μια μορφή που θα γίνει «κατανοητή» από τους κβαντικούς επεξεργαστές. Συνεπώς, θα απαιτηθούν αμοιβαίες προσπάθειες από την επιστημονική κοινότητα και τους πιθανούς πελάτες που χρειάζονται την υπολογιστική ισχύ των κβαντικών επεξεργαστών. Προφανώς, τέτοια ισχύ χρειάζεται σε τομείς όπως η ιατρική και η άμυνα.

Άρα, το θέμα δεν είναι αν ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακή χρήση. Το θέμα είναι αν ο οικιακός χρήστης θα είναι σε θέση να υποβάλλει τις ανάγκες του στον κβαντικό υπολογιστή με τρόπο που να μπορεί να τις επεξεργαστεί και να δώσει λύσεις.

Μοιάζει περίπου με την επανάσταση της τυπογραφίας: Στην αρχή, αφορούσε τους ελάχιστους που μπορούσαν να διαβάσουν.

Πώς μοιάζει ένας κβαντικός υπολογιστής στην πραγματικότητα; Πώς δομείται;

Μέχρι στιγμής υπάρχουν περίπου δέκα εντελώς διαφορετικά, μεταξύ τους, φυσικά μοντέλα που ισχυρίζονται ότι αποτελούν τη θεμελιώδη βάση για κβαντικούς υπολογισμούς. Μπορούν να δουλέψουν με βάση τα φωτονικά τσιπ, τα οποία επικοινωνούν ανταλλάσσοντας παλμούς λέιζερ αντί ηλεκτρικών σημάτων ανεβάζοντας τις ταχύτητες επεξεργασίας εντυπωσιακά. Αυτά μπορεί να είναι ουδέτερα άτομα, ιόντα, υπεραγώγιμα qubits** (σσ. τα μικρότερα στοιχεία για την αποθήκευση πληροφοριών σε έναν κβαντικό υπολογιστή).

Όλα αυτά είναι θεμελιωδώς διαφορετικά μοντέλα που απαιτούν διαφορετικό hardware και έλεγχο. Για παράδειγμα, ένας υπολογιστής που βασίζεται σε υπεραγώγιμα qubits είναι, στην πραγματικότητα, ένα μεγάλο «ψυγείο». Χρησιμοποιεί κρυογονική τεχνολογία σε όλα τα εξαρτήματα και τις συσκευές που τον απαρτίζουν. Για να λειτουργήσει χρειάζεται εξοπλισμό συνθηκών κενού αέρος, καθώς και ένα τεράστιο «δοχείο» με ψυκτικό υλικό.

Ταυτόχρονα, τα φωτονικά τσιπ θα «τρέχουν» πάνω σε μία μητρική επί της οποίας θα σχεδιάζονται «οδηγοί» χρησιμοποιώντας διαφορετικές οπτικές τεχνολογίες, οι οποίες θα διασταυρώνονται και θα αποκλίνουν για να σχηματίσουν πολύπλοκες διεπαφές. Σαν ένα κενό ζωγραφικό τελάρο που θα φιλοξενεί συνεχείς αλλαγές σχημάτων.

Ουσιαστικά, σήμερα, δεν υπάρχει μία «οπτικοποιημένη» εκδοχή ενός κβαντικού υπολογιστή.

Ποια θα είναι τα πλεονεκτήματα μιας κβαντικής τηλεφωνικής επικοινωνίας σε σχέση με τη σημερινή συμβατική;

Καταρχήν η ασφάλεια: Ένα κβαντικό τηλέφωνο δεν μπορεί να παγιδευτεί. Οι κβαντικές επικοινωνίες μπορούν να εξασφαλίσουν απόλυτη εμπιστευτικότητα. Τα σημερινά συστήματα επικοινωνίας χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον ασύμμετρη κρυπτογράφηση. Ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να τα σπάσει. Για να αποφευχθεί αυτό πρέπει να χρησιμοποιηθεί συμμετρική κρυπτογράφησηκαι αυτό μας εισάγει στη σφαίρα της κβαντικής τεχνολογίας.

Πώς θα επηρεάσει την καθημερινή ζωή των ανθρώπων η εμφάνιση και η εξάπλωση κβαντικών επικοινωνιών και υπολογιστών;

Σε πρώτη φάση η διάδοσή τους δεν θα γίνει πολύ αισθητή στην καθημερινότητα. Ακόμη και το γεγονός ότι η κβαντική τεχνολογία θα καταστήσει τον κωδικό PIN μιας τραπεζικής κάρτας ουσιαστικά απρόσβλητο, δεν θα είναι κάτι το «απτό». Ωστόσο, αυτές οι αλλαγές θα επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό τις υπηρεσίες ασφαλείας και το τραπεζικό σύστημα και, κατ΄ επέκταση, σημαντικό μέρος της ζωής μας, χωρίς να το αισθανόμαστε άμεσα.

Θα μπορεί ένα κβαντικό σύστημα να «σπάσει» από έναν κβαντικό υπολογιστή;

Όχι. Τα κβαντικά κρυπτογραφικά συστήματα δεν θα μπορούν να «σπάσουν» από κβαντική τεχνολογία. Η πληροφορία θα είναι απολύτως προστατευμένη.

Μπορεί η κβαντική τεχνολογία να βοηθήσει στην εξέλιξη της τεχνητής νοημοσύνης;

Παρά τα φαινόμενα, το ζήτημα είναι αμφιλεγόμενο. Υπάρχει η άποψη ότι η τεχνητή νοημοσύνη βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στους κβαντικούς αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται στον κβαντικό υπολογισμό. Υπάρχουν φυσικοί που δεν συνδέουν άμεσα αυτές τις δύο τεχνολογίες, αλλά υπάρχουν πολλές τάσεις ή ενδείξεις που δείχνουν ότι πιθανόν να είναι κοντινές. Αν και είναι πολύ νωρίς για να μιλήσουμε πιο αντικειμενικά.

Το σίγουρο είναι, πως η κβαντική τεχνολογία είναι το επόμενο βήμα προς τον «θαυμαστό καινούργιο κόσμο». Αρκεί να μην πρόκειται για την ομώνυμη δυστοπία του Χάξλεϋ…

_

*Κβαντική διεμπλοκή είναι το φαινόμενο, κατά το οποίο δύο σωματίδια ή ομάδες σωματιδίων που δημιουργούνται μαζί ή αλληλεπιδρούν συνενώνοντας τις κυματοσυναρτήσεις τους και μένουν σε κατάσταση διεμπλοκής μεταξύ τους, ασχέτως του χώρου που μεσολαβεί πλέον από το ένα στο άλλο. Αν σταλεί το ένα από τα δύο στο άλλο άκρο του σύμπαντος και συμβεί κάτι σε οποιοδήποτε από τα δύο, το άλλο αντιδρά ακαριαία.

**Κβαντικό bit, ή συνηθέστερα qubit, είναι η στοιχειώδης μονάδα κβαντικής πληροφορίας. Η διαφορά από το «κλασικό» δυαδικό ψηφίο (bit) είναι ότι ενώ το bit μπορεί να πάρει μόνο μια από δύο δυνατές τιμές, (είτε μηδέν 0 είτε ένα 1) το qubit είναι μια υπέρθεση (άθροισμα) και των δύο καταστάσεων ταυτόχρονα.

Πηγή: physics4u.gr