( 26 ψήφοι )

kvantikoi ypologistesΌταν την δεκαετία του '80 έγινε η σύλληψη της ιδέας των κβαντικών υπολογιστών, πολλοί λίγοι άνθρωποι ίσως θα πίστευαν πως κάποια στιγμή θα μπορούσαμε όντως να δημιουργήσουμε στην πράξη ένα τέτοιο λειτουργικό μηχάνημα, επεμβαίνοντας στις ίδιες τις κβαντικές καταστάσεις της ύλης και της ενέργειας. Και όμως, το μακρινό εκείνο μέλλον, είναι πλέον το δικό μας παρόν!

Κλασσικοί και κβαντικοί υπολογιστές

Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές δεν έχουν αλλάξει ως φιλοσοφία ούτε ένα χιλιοστό από την εποχή των λυχνιών έως την σημερινή εποχή των τρανζίστορς: Βασίζονται στην άλγεβρα Μπουλ και στο bit, την θεμελιώδη μονάδα που μπορεί να βρίσκεται στην κατάσταση 0 ή 1. Προκειμένου να αναπαραστήσουμε μεγαλύτερο εύρος αριθμών, ενώνουμε πολλά bits. Έτσι αν ένα bit παίρνει τις τιμές 0 ή 1, δύο bits συνδυασμένα μπορούν να έχουν τέσσερις καταστάσεις (00, 01, 10, 11), τρία bits αναπαριστούν έως οχτώ καταστάσεις, κτλ. Ουσιαστικά κάθε επιπλέον bit διπλασιάζει τις καταστάσεις που μπορούμε να περιγράψουμε (2, 4, 8, 16, 32..). Έτσι, 8bits (ή αλλιώς 1 byte)  μπορεί να αποθηκεύσει τιμές εύρους 28  ήτοι 256 διαφορετικές τιμές!

Αν τα παραπάνω σας φαίνονται πολύπλοκα, τότε ετοιμαστείτε να πονοκεφαλιάσετε ...άσχημα! Στους κβαντικούς υπολογιστές, η θεμελιώδης μονάδα είναι το qubit, και μπορεί να έχει τις τιμές 0, 1 ή και... τις δύο μαζί!

Χρησιμοποιώντας τα κβαντικά φαινόμενα για την κατασκευή ενός υπολογιστή

qubits explained

Ας υποθέσουμε πως έχουμε απομονώσει ένα ηλεκτρόνιο και μπορούμε να επέμβουμε στην ενεργειακή του κατάσταση (χρησιμοποιώντας π.χ. μια δέσμη λέιζερ), ώστε να αλλάξουμε την περιστροφή του στις δύο διαφορετικές καταστάσεις ("επάνω" και "κάτω"). Αμέσως-αμέσως έχουμε δημιουργήσει μία μνήμη που μοιάζει με το συμβατικό bit, αφού μπορεί να αποθηκεύσει ένα 0 ή ένα 1. Το... ευτύχημα εδώ, είναι πως εδώ υπάρχει μια τρίτη κβαντική κατάσταση (υπέρθεση) όπου το ηλεκτρόνιο είναι... και 0 και 1! Ακόμη χειρότερα, αν προσπαθήσουμε να "διαβάσουμε" αυτήν την κατάσταση του ηλεκτρονίου, το σύστημα καταρρέει, με αποτέλεσμα η απάντηση που θα λάβουμε να μην είναι σίγουρο πως είναι η... ορθή!

Οι κβαντικοί υπολογιστές αποτελούν μυστήριο για τους περισσότερους από εμάς, γιατί βασίζονται σε πολύπλοκα μαθηματικά προσπαθώντας να... εξηγήσουν τα τερτίπια της φύσης. Αν το παραπάνω ακούστηκε μπακαλίστικο, ζητάμε συγνώμη. Απλά θα πρέπει να κατανοήσουμε πως η πληροφορική όπως την γνωρίζαμε σήμερα ήταν απόλυτα ντετερμινιστική. Ένα συν ένα κάνει δύο. Δεν υπάρχει χώρος για λάθος. Για να αποκλείσουμε δε το λάθος, έχουμε εισαγάγει κυκλώματα και αλγόριθμους που ελέγχουν για αστοχίες και που αποκλειστικός τους σκοπός είναι το αποτέλεσμα να είναι σωστό και μη αμφισβητήσιμο. Οποιαδήποτε άλλο αποτέλεσμα πλην του σωστού θα προκαλέσει την κατάρρευση του υπολογιστή καθώς το λάθος δεν είναι αναμενόμενο. Για παράδειγμα, αν μια μνήμη RAM του υπολογιστή μας έχει ένα χαλασμένο byte και δεν διαθέτει ECC (Error Correcting Code), τότε αν αποθηκευτεί σε αυτή τη θέση μνήμης μια διεύθυνση, τότε κατά πάσα πιθανότητα θα δούμε μετά από λίγο μια πανέμορφη μπλε οθόνη των Windows. Το σύστημα μας θα έχει καταρρεύσει και δεν θα ξέρει καν το γιατί!

Αντίθετα με το ντετερμινιστικό αυτό μοντέλο, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι "πιθανολογικοί", δηλαδή αν τροφοδοτήσουμε σε έναν τέτοιο υπολογιστή μια σειρά δεδομένων, τότε λόγω ακριβώς της φύσης των qubits, των κβαντικών φαινομένων αλλά και των αλγόριθμων που έχουν αναπτυχθεί, η απάντηση που θα πάρουμε δεν θα είναι απαραίτητα ή πάντα η σωστή!

Τί πλεονεκτήματα προσφέρει ένας κβαντικός υπολογιστής σε σχέση με τους συμβατικούς;

kvantikoi ypologistesΗ απάντηση είναι απλή: Ισχύ πέρα από κάθε όριο! Περιγράψαμε παραπάνω πως ένα συμβατικό bit μπορεί να έχει την κατάσταση 0 ή 1, ενώ ένα κβαντικό bit (qubit) μπορεί να έχει την κατάσταση 0 ή 1 ή και τις δυο μαζί. Αυτή η τελευταία κατάσταση σημαίνει πως ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να κάνει παράλληλα 2 εις την n υπολογισμούς, όπου n o αριθμός των qubits. Αυτό σημαίνει πως ένας κβαντικός υπολογιστής με 250 qubits, μπορεί να αποθηκεύσει και να υπολογίσει τιμές που ξεπερνούν τον αριθμό των... ατόμων στο γνωστό σύμπαν! Θεωρητικά αν δοθεί χρόνος και άπειρα resources (=μνήμη) σε έναν "κλασσικό" υπολογιστή, τότε αυτός μπορεί να επιλύσει τους αλγόριθμους που ένας κβαντικός υπολογιστής θα "προβλέψει". Το πρόβλημα είναι πως είναι αδύνατον να βρούμε τόσα resources. Για να δώσουμε μια τάξη μεγέθους, το 1 terrabyte = 243 τιμών 0 ή 1 - πολύ μακριά από το 2250 των πολύπλοκων τιμών!

Για να εξηγήσουμε καλύτερα γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν αυτήν την τεράστια υπολογιστική ισχύ, θα πρέπει να ασχοληθούμε με άλλο ένα απίθανο κβαντικό φαινόμενο, την διεμπλοκή καταστάσεων (ή συσχέτιση).  Σύμφωνα με αυτήν την (αποδεδειγμένη) θεωρία, σωματίδια που έχουν αλληλεπιδράσει στο παρελθόν, διατηρούν ένα είδος δεσμού, που μάλιστα αυτός ο δεσμός εφόσον δεν υπάρχει εξωτερική αλληλεπίδραση, διατηρείται σε οποιαδήποτε απόσταση και ασχέτως της ταχύτητας του φωτός! (ο Αϊνστάιν χαρακτήρισε το φαινόμενο ως "ανατριχιαστική δράση σε απόσταση"). Αν λοιπόν το ένα qubit είναι σε κατάσταση 1 το άλλο (διεμπλεγμένο) qubit θα βρίσκεται στην αντίθετη (0) κατάσταση ακόμη και αν έχει μεταφερθεί στην άλλη πλευρά του σύμπαντος!

Στην πράξη, αν σε ένα συμβατικό υπολογιστή ένας καταχωρητής μνήμης των 2-bit μπορεί να αποθηκεύσεις τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις (00, 01, 10, 11). Σε ένα 2-qubit υπολογιστή όμως, χάρις τα παραπάνω κβαντικά φαινόμενα, μπορούμε να αποθηκεύσουμε και τις τέσσερις καταστάσεις ταυτόχρονα, ενώ αν προσθέσουμε και άλλα qubits, τότε η αποθηκευτική ικανότητα αυξάνεται εκθετικά!

Προβλήματα που εμφανίζονται

Τα μεγάλα προβλήματα που θα πρέπει να επιλυθούν για να έχουμε αξιόπιστους κβαντικούς υπολογιστές έχουν ως εξής:

  • Εξωτερικές παρεμβολές, κβαντική αποσυνοχή και μειωμένος χρόνος ζωής. Οι κβαντικοί υπολογιστές χρειάζονται όσο το δυνατόν μικρότερη επαφή με το "εξωτερικό" περιβάλλον ώστε να μην π.χ. αλλάξει η ενεργειακή κατάσταση ενός qubit από έναν εξωτερικό παράγοντα. Ένα άλλο πρόβλημα είναι το φαινόμενο της μείωσης της συνοχής μεταξύ των "κομματιών" ενός κβαντικού υπολογιστή, κάτι για το οποίο γίνονται πολλές μελέτες. Προς το παρόν και όσον αφορά τον χρόνο ζωής των κβαντικών υπολογιστών, πρόσφατα ανακοινώθηκε πως σε πειραματικές εγκαταστάσεις σε Γερμανία και  Κίνα ερευνητές κατάφεραν να αποθηκεύσουν δεδομένα σε κβαντική κατάσταση, για 3,2 msec, που σίγουρα είναι μεγάλο επίτευγμα σε σχέση με τα 200 ή 300 nanoseconds των προηγούμενων ομάδων, αλλά ακόμη και έτσι, υπάρχει πολύς δρόμος μπροστά.
  • Λάθη και αντιμετώπιση αυτών. Όπως ειπώθηκε, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν λειτουργούν ντετερμινιστικά, και η απάντηση στο ερώτημα που θα τους κάνουμε μπορεί να είναι ορθή, μπορεί και όχι. Ακόμη χειρότερα, από την στιγμή που θα προσπαθήσουμε να "διαβάσουμε" την απάντηση, ουσιαστικά επεμβαίνουμε στο κβαντικό σύστημα με αποτέλεσμα αυτό να καταρρεύσει. Η λύση δεν είναι άλλη από την χρήση συγκεκριμένων αλγόριθμων με μεγάλο ποσοστό επιτυχίας ή/και το τρέξιμο του ίδιου αλγόριθμου πολλές φορές και την σύγκριση των αποτελεσμάτων.
Πρακτικές εφαρμογές

Ένας κβαντικός υπολογιστής δεν μπορεί να αντικαταστήσει σε καμία περίπτωση έναν συμβατικό για όλες τις χρήσεις -τουλάχιστον όχι στην παρούσα φάση όπου η έρευνα βρίσκεται σε νηπιακή κατάσταση. Μπορεί όμως να λύσει αλγόριθμους σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, αλγόριθμους που σε συμβατικό (υπερ)υπολογιστή θα χρειάζονταν χρόνια ή δεκαετίες. Για παράδειγμα για την παραγοντοποίηση ακεραίων αριθμών μεγάλου μεγέθους, ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να βρει τους παράγοντες σε ελάχιστο χρόνο. Φυσικά αυτό οδηγεί και στο μεγαλύτερο πρόβλημα που δεν είναι άλλο από την πρώτη σκέψη της χρησιμότητας των κβαντικών υπολογιστών που δεν είναι άλλη από το σπάσιμο αλγόριθμων κρυπτογράφησης. Αλγόριθμοι όπως ο RSA πάνω στον οποίο βασίζεται η ασφάλεια στο ίντερνετ (ασφαλείς σελίδες όπως π.χ. τραπεζών, κωδικοποιημένα emails, ασύρματα δίκτυα κ.λπ.), αυτή τη στιγμή είναι πολύ ασφαλή, αλλά ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να σπάσει δίκτυα βασισμένα σε αυτόν πριν ο χρήστης προλάβει να ανοιγοκλείσει τα βλέφαρα του! Άλλες πιθανές χρήσεις περιλαμβάνουν εξομοιώσεις πολύπλοκων συστημάτων για φαρμακοβιομηχανίες και ανάλυση σημάτων όπως π.χ. αυτά που προέρχονται από τα ραδιοτηλεσκόπια του SETI.

Κβαντικοί υπολογιστές σήμερα

d-ware quantum

Κάπου το 2007 μια εταιρεία ονόματι DWave παρουσίασε έναν 16-qubit πρωτότυπο επεξεργαστή. Τεσσεράμισι χρόνια μετά, επανήλθε παρουσιάζοντας και πουλώντας (!) τον πρώτο εμπορικά διαθέσιμο Κβαντικό υπολογιστή, και μάλιστα σε μια από τις μεγαλύτερες αεροναυπηγικές και αμυντικές εταιρείες του κόσμου την Lockheed Martin (λέγε με F-16, F-35 κτλ) για το... ταπεινό ποσό των $20.000.000!

Ο υπολογιστής ονομάζεται D-Wave One, και περιέχει έναν 128-qubit επεξεργαστή ονομαζόμενο Rainier. Ειδικά φίλτρα και θωρακίσεις κρατούν την μονάδα μακριά από τις παρεμβολές του περιβάλλοντος, ενώ το όλο σύστημα λειτουργεί κοντά στο απόλυτο μηδέν (20 μKelvin), έτσι ώστε να δημιουργείται υπεραγωγιμότητα. Ο υπολογιστής καθ' αυτός καταλαμβάνει  χώρο ίσο με 10m2  ενώ χρειάζεται  ελεγχόμενο περιφερειακό χώρο μεγέθους 100m2. Τέλος η κατανάλωση του είναι... μόλις 15kW ενώ μπορεί να προγραμματιστεί από απόσταση με ένα εύρος γλωσσών και πρότυπων όπως C++, Pythlon, Matlab κτλ.

Αν και κάποιοι εξέφρασαν τις αμφιβολίες τους πως πρόκειται για ένα "καθαρά" κβαντικό σύστημα, η αλήθεια είναι πως κανείς δεν μπορεί να αποδείξει και το αντίθετο και κανείς δεν έχει 20 εκατομμυριάκια δολάρια για... σκόρπισμα! Επιπρόσθετα, η IBM - ο γίγαντας αυτός του R&D της πληροφορικής ανακοίνωσε αρχές του Ιούνη πως εργάζεται (και αυτή) πάνω σε υπεραγώγιμους κβαντικούς υπολογιστές και πως "πλέον έχουμε ξεπεράσει τους πειραματισμούς". Ένα κομμάτι της ανακοίνωσης με πολύ ενδιαφέρον ήταν αυτό που έγραφε πως "Το όραμα του κβαντικού υπολογιστή είναι να επιτρέψουμε αυτούς να κάνουν εκατομμύρια υπολογισμούς με την μία με ένα και μόνο qubit", ενώ υπήρχε και αναφορά στα... 250 qubits που όπως ειπώθηκε στην αρχή, ξεπερνούν σε μέγεθος τα άτομα της ύλης του σύμπαντος. Αν μη τι άλλο, αν κάποιος ξέρει το που οδεύει η πληροφορική, τότε αυτή είναι η IBM.

Επίλογος
eniac 1943
Ο Eniac των 18,000 λυχνιών το 1943

Οι κβαντικοί υπολογιστές σήμερα, κάνουν τα πρώτα δειλά βήματα στον ανθρώπινο πολιτισμό, όπως την δεκαετία του '40 οι πρώτοι υπερυπολογιστές ξεκίνησαν ένα αντίστοιχο και ακόμη ποιο δύσκολο ταξίδι. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα λύσουν προβλήματα και θα δώσουν ώθηση στον πολιτισμό μας να προχωρήσει μπροστά. Αντιπροσωπεύουν ένα ελπιδοφόρο, συναρπαστικό (κβαντικό) βήμα στο μέλλον που μόνο λαμπρό μπορεί να φαντάζει!

δημοψήφισμα

Νέα επικαιρότητας: Ποιότητα ή ποσότητα;