Από τους ψηφιακούς στους κβαντικούς υπολογιστές

 

Γιατί όλοι, σήμερα, έχουν τρελαθεί με τα κιούμπιτ και τους κβαντικούς υπολογιστές; Ο λυσσαλέος διεθνής ανταγωνισμός για την υλοποίηση και την εκμετάλλευση της κβαντικής υπολογιστικής τεχνολογίας φαίνεται να οδηγεί αναπόδραστα στο κβαντικό υπολογιστικό μέλλον μας, που κάποιοι λένε ότι είναι ήδη παρόν. Το αν οι νέοι κβαντικοί υπολογιστές θα αποδειχτούν εξίσου εύχρηστοι και κοινωνικά διαχειρίσιμοι με τους «παλιούς» ψηφιακούς υπολογιστές είναι ένα ερώτημα που δεν τίθεται για την ώρα.

Η αυγή της κβαντικής υπολογιστικής τεχνολογίας;

Σήμερα, η κβαντική υπολογιστική τεχνολογία έχει πια περάσει από τον θεωρητικό σχεδιασμό στην κατασκευή μη ψηφιακών, κβαντικών υπολογιστικών συστημάτων: όπως π.χ. τα κυκλώματα κβαντικών επεξεργαστών για τη δημιουργία qubits, οι κβαντικοί αισθητήρες, η κβαντική επικοινωνία και τηλεμεταφορά, τα συστήματα κβαντικής κρυπτογραφίας

Με επενδύσεις που υπερβαίνουν συνολικά τα 25 δισεκατομμύρια δολάρια, τόσο από δημόσιες-κρατικές χρηματοδοτήσεις όσο και από τις επενδύσεις των κολοσσιαίων τεχνολογικών εταιρειών, ο αγώνας δρόμου για την υλοποίηση των πρώτων κβαντικών υπολογιστών έχει γίνει πια πλανητικός. Πρόκειται για ένα σχετικά νέο πεδίο έρευνας που, ενώ βρίσκεται σε εμβρυακή κατάσταση, υπόσχεται να ανοίξει στο άμεσο μέλλον έναν δρόμο για την τεχνολογική πρόσβαση και την εκμετάλλευση της ανοίκειας κβαντικής πραγματικότητας. Μια «γέφυρα» δηλαδή μεταξύ της Μικροφυσικής και της Μακροφυσικής, που ως γνωστόν διέπονται από διαφορετικούς φυσικούς νόμους.

Διόλου περίεργο, λοιπόν, ότι το πεδίο έρευνας της κβαντικής υπολογιστικής και των πολυάριθμων πρακτικών εφαρμογών της χρηματοδοτούνται πλουσιοπάροχα: η Κίνα αποφάσισε επίσημα να επενδύσει 10 δισεκατομμύρια δολάρια μόνο για την ανάπτυξη αυτού του πρωτοποριακού πεδίου, ενώ η κυβέρνηση των ΗΠΑ ξεκινά με 1 δισ. δολάρια για ένα δημόσιο πρόγραμμα έρευνας, στο οποίο προστίθενται και οι συστηματικές ιδιωτικές επενδύσεις των μεγάλων εταιρειών (IBM, Google, Intel, Amazon κ.ά.).

25 δισ. $ επενδύονται πλανητικά στον αγώνα δρόμου για τη δημιουργία και τη διαχείριση των νέων πανίσχυρων κβαντικών υπολογιστών.

Σε αυτόν τον λυσσαλέο ανταγωνισμό επενδύσεων για την υλοποίηση των κβαντικών υπολογιστών, πρωταγωνιστική επιστημονικά και διόλου ευκαταφρόνητη οικονομικά είναι η παρουσία των πιο ισχυρών ευρωπαϊκών χωρών (Γερμανία, Γαλλία, Κάτω Χώρες, που έχουν επενδύσει συνολικά 5 δισ.), ενώ σε περισσότερο από 1 δισ. ανέρχονται τα ειδικά ερευνητικά προγράμματα της Ε.Ε. Επίσης, πολύ δυναμικά έχουν μπει η Ρωσία, ο Καναδάς, η Ιαπωνία, η Νέα Ζηλανδία και το Ισραήλ.

Παρά τα άφθονα χρήματα που επενδύονται, βρισκόμαστε ακόμη σε μία φάση διερεύνησης σχετικά με τις πρακτικές εφαρμογές και τις μελλοντικές δυνατότητες των σημερινών κβαντικών υπολογιστών. Πάντως, αν και πολυάριθμες, οι σχετικές έρευνες επικεντρώνονται κυρίως σε δύο τομείς: από τη μια, αυτές που επιχειρούν να βελτιώσουν τις επιδόσεις των υπαρκτών κβαντικών επεξεργαστών και, από την άλλη, εκείνες που προσπαθούν να κατανοήσουν τα εγγενή όρια και τις δυνατές εφαρμογές των νέων υπολογιστικών μηχανών.

Σε σύγκριση με τους σημερινούς ψηφιακούς υπερυπολογιστές, οι κβαντικοί υπολογιστές αποτελούν, τόσο ως προς τη δομή όσο και τη λειτουργία τους, εντελώς διαφορετικού τύπου υπολογιστικές μηχανές. Ισως γι’ αυτό, είναι εξαιρετικά δύσκολο να προβλέψει κανείς, εξαρχής, το πώς ακριβώς, σε ποια κατεύθυνση, ή το πόσο γρήγορα θα εξελιχθούν.

Πάντως, τα τελευταία χρόνια, οι εφαρμογές της «Κβαντικής Υπολογιστικής» (Quantum Computing) γνωρίζουν εντυπωσιακή ανάπτυξη ανάλογη με αυτή που γνώρισαν οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές πυριτίου τη δεκαετία του 1960.

Οσο για τις προβλεπόμενες εφαρμογές της στο μέλλον, αυτές αφορούν τα πιο διαφορετικά επιστημονικά πεδία: από την πληροφορική ασφάλεια μέχρι την εντυπωσιακή βελτίωση των υπολογιστικών διεργασιών στην οικονομία και στη λογιστική, από τη αυτόματη μάθηση των υπολογιστών μέχρι την τεχνητή νοημοσύνη.

Επίσης, θα συμβάλλει αποφασιστικά στην ανάπτυξη νέων υλικών και φαρμάκων, στην ιατρική διαγνωστική-θεραπεία, στη μοντελοποίηση των πολύπλοκων οικολογικών, γεωλογικών και πλανητικών φυσικοχημικών συστημάτων.

Αν έστω και ένα μέρος από αυτά επαληθευτούν, τότε οι κβαντικοί υπολογιστές και οι νέες κβαντικές τεχνολογίες θα διαμορφώσουν από κοινού ό,τι όλο και πιο συχνά περιγράφεται ως η «δεύτερη κβαντική επανάσταση», που, όπως όλα δείχνουν, ήδη συντελείται και στο μέλλον θα επηρεάσει όχι μόνο την τεχνολογία, την υγεία, την οικονομία, αλλά και την καθημερινότητα των ανθρώπων.

Το μεγάλο άλμα από τα μπιτ στα κιούμπιτ

Αν σε έναν ψηφιακό υπολογιστή (κατά κανόνα ηλεκτρονικό) η βασική μονάδα πληροφορίας είναι το bit (μπιτ), σε έναν κβαντικό υπολογιστή είναι το qubit (κιούμπιτ). Πράγματι, ως κβαντικός υπολογιστής ορίζεται κάθε μη ψηφιακό υπολογιστικό σύστημα που η λειτουργία του βασίζεται στις αρχές της Kβαντομηχανικής, ενώ και τα δομικά υλικά του εκμεταλλεύονται τις αλλόκοτες φυσικές ιδιότητες των κβαντικών φαινομένων, ώστε να ολοκληρώνει επιτυχώς -και με ασύλληπτη ταχύτητα- την επεξεργασία ενός τεράστιου αριθμού πληροφοριών (qubits).

Οι εντυπωσιακά υψηλές επιδόσεις των κβαντικών υπολογιστών -κατά την εκτέλεση των περίπλοκων υπολογιστικών αλγορίθμων- βασίζονται στις ανοίκειες κβαντικές ιδιότητες που είναι κοινές σε όλα τα κβαντικά συστήματα, όπως π.χ. η αρχή της κβαντικής σύμπλεξης ή της επαλληλίας, της υπέρθεσης και της εγγενούς πιθανοκρατικής κατάστασης όλων των κβαντικών κυματοσυναρτήσεων.

Πράγματι, το μυστικό της λειτουργίας και της τεράστιας υπολογιστικής δύναμης των κβαντικών επεξεργαστών θα πρέπει να αναζητηθεί στο αινιγματικό, αλλά απολύτως φυσικό φαινόμενο της «κβαντικής σύμπλεξης».

Πρόκειται για θεμελιώδη έννοια της Κβαντομηχανικής που αποδίδεται επίσης ως «διεμπλοκή» ή, ποιητικότερα, ως «κβαντικός εναγκαλισμός» (quantum entanglement): όταν δύο ή περισσότερα στοιχειώδη ατομικά ή υποατομικά σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω της σύζευξης των κυματοσυναρτήσεών τους, τότε υπεισέρχονται και παραμένουν σε κατάσταση κβαντικής σύμπλεξης, ανεξάρτητα από την απόσταση που τα χωρίζει. Ετσι, ό,τι συμβαίνει στο ένα από τα δύο συζευγμένα σωματίδια μεταφέρεται αμέσως και γίνεται «αντιληπτό» και από το άλλο, το οποίο και αντιδρά ακαριαία, ακόμη κι αν βρίσκεται στο άλλο άκρο του Σύμπαντος!

Εκτός από τις διαφορές στη δομή και την οργάνωση του υλισμικού, ίσως η αποφασιστικότερη διαφορά μεταξύ ενός ψηφιακού και ενός κβαντικού υπολογιστή είναι ότι όλοι ανεξαιρέτως οι ψηφιακοί επεξεργαστές μπορούν να επεξεργάζονται, να αναπαριστούν και να αποθηκεύουν τις πληροφορίες αποκλειστικά υπό τη μορφή bit, δηλαδή μέσω ενός συστήματος κωδίκευσης με δύο μόνο εναλλακτικά στοιχεία «0» ή «1».

Οι κβαντικοί επεξεργαστές, αντίθετα, μπορούν να βρίσκονται ταυτοχρόνως σε πολλές επάλληλες καταστάσεις και άρα οι μονάδες της πληροφορίας που επεξεργάζονται, τα qubits, μπορούν να λαμβάνουν περισσότερες από δύο εναλλακτικές τιμές: όχι μόνο «0» και «1», όπως τα bits, αλλά και όλες τις ενδιάμεσες τιμές μεταξύ του «0» και του «1»!

Ενα qubit αντιστοιχεί σε μία ιδιαίτερη κβαντική κατάσταση ή σε μία σύμπλεξη αλλεπάλληλων καταστάσεων που κωδικοποιείται από τον κβαντικό υπολογιστή και ως η βασική μονάδα της κβαντικής πληροφορίας είναι η αποτύπωση αυτού του ιδιαίτερου μικροφυσικού συμβάντος ή κατάστασης. Η κβαντική σύμπλεξη, όμως, δεν διατηρείται επ’ αόριστον. Μάλιστα γίνεται ακόμη πιο πρόσκαιρη και φευγαλέα όταν ο κβαντικός επεξεργαστής που την ανιχνεύει δεν είναι πλήρως απομονωμένος από το περιβάλλον. Σε αυτή την περίπτωση, ο «θόρυβος» που εισβάλλει στον κβαντικό υπολογιστή προκαλεί την πρόωρη κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης του κβαντικού συμβάντος που περιγράφεται από το qubit: η σύμπλεξη μεταξύ επάλληλων κβαντικών καταστάσεων εξαφανίζεται και υπάρχει μεγάλη απώλεια πληροφορίας.

Τι εμποδίζει την έλευση του κβαντικού παραδείσου;

Θεμελιώδης και θεμελιακή παραδοχή της κβαντικής υπολογιστικής είναι ότι οι διαφορετικές κβαντικές καταστάσεις μπορούν να προσομοιωθούν επαρκώς και αποτυπωθούν στα qubits μόνο από έναν κατάλληλο κβαντικό επεξεργαστή. Ωστόσο, η υλοποίηση του ονείρου της κατασκευής όλο και πιο ισχυρών κβαντικών υπολογιστών προσκρούει σε δυσεπίλυτα θεωρητικά και πρακτικά εμπόδια. Οπως π.χ. το γεγονός ότι οι μέχρι σήμερα κβαντικοί επεξεργαστές, για να μπορούν να δουλεύουν απρόσκοπτα, χωρίς δηλαδή να επηρεάζονται από τους «θορύβους» του φυσικού περιβάλλοντος, πρέπει να τοποθετούνται σε πλήρη απομόνωση μέσα σε ειδικούς καταψύκτες και να εργάζονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273ο C). Διαφορετικά, οι υπολογισμοί που εκτελεί ο κβαντικός υπολογιστής επηρεάζονται αρνητικά από τους «θορύβους» και ενδέχεται να είναι εντελώς λανθασμένοι.

Τέλος, ένα επιπρόσθετο εμπόδιο για την εκμετάλλευση της τεράστιας υπολογιστικής ισχύος των κβαντικών υπολογιστών είναι ότι εργάζονται με πολύ πιο περίπλοκους αλγόριθμους από αυτούς των γιγάντιων ψηφιακών υπολογιστών, γεγονός που καθιστά «δυσανάγνωστες» τις πληροφορίες που κωδικοποιούν τα qubits.

Ομως, παρά τα τεχνολογικά εμπόδια και τις (προσωρινές;) δυσκολίες, όλο και περισσότεροι κορυφαίοι ειδικοί δηλώνουν απερίφραστα ότι, αργά ή γρήγορα, η έλευση των κβαντικών υπολογιστών είναι αναπόφευκτη. Δεδομένων μάλιστα των κοσμοϊστορικών αλλαγών -όχι μόνο οικονομικών, αλλά κοινωνικοπολιτικών, γεωπολιτικών και στρατιωτικών- που θα επιφέρει η είσοδος στη ζωή μας της νέας κβαντικής τεχνολογίας, πολλές ισχυρές χώρες, διεθνείς οργανισμοί, μεταξύ των οποίων το ΝΑΤΟ, ήδη προβληματίζονται σοβαρά και δημιουργούν επιτροπές που διερευνούν τις πιθανές ανατροπές και τους κανόνες διαχείρισης της επικείμενης κβαντικής υπολογιστικής επανάστασης.