Η επόμενη επανάσταση της Πληροφορικής

30 Σεπτεμβριου 2010
Posted in Επικαιρότητα

Nέα γενιά υπολογιστών υπόσχεται ανατροπές σε επικοινωνίες, τεχνολογία των υλικών, φαρμακευτική χημεία μέχρι και την κατασκοπεία!

Δανεισμένος από το λεξιλόγιο της νεώτερης Φυσικής, ο όρος «κβαντικό άλμα» χρησιμοποιείται δημοσιογραφικά για να υποδηλώσει την απότομη, επαναστατική αλλαγή, σε αντιδιαστολή με την αργή, βήμα προς βήμα συσσώρευση μικροτροποποιήσεων. Την περασμένη εβδομάδα, όμως, τα διεθνή επιστημονικά περιοδικά που μιλούσαν για «κβαντικό άλμα των υπολογιστών» κυριολεκτούσαν: Αυτό που ανακοίνωσε, με άρθρο της στο περιοδικό Science, ερευνητική ομάδα από το πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, προαναγγέλλει ένα επαναστατικά καινούργιο είδος υπολογιστών, οι οποίοι θα αξιοποιούν τους θεμελιώδεις νόμους της Κβαντικής Φυσικής, υπερβαίνοντας κατά πολύ τις δυνατότητες των συμβατικών, ηλεκτρονικών συστημάτων.

Σε συνεργασία με αντίστοιχες ερευνητικές ομάδες από την Ιαπωνία, το Ισραήλ και την Ολλανδία, οι επιστήμονες του βρετανικού πανεπιστημίου πραγματοποίησαν ένα σημαντικό, τεχνολογικό άλμα: κατασκεύασαν ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip) που λειτουργεί με βάση όχι τον ηλεκτρισμό, αλλά το φως. Αξιοποιώντας τις παραξενιές του μικρόκοσμου, το εν λόγω κύκλωμα μπορεί να αποτελέσει τη βάση για την κατασκευή υπολογιστών απείρως ταχύτερων από τους καλύτερους συμβατικούς. Οι ειδικοί λένε ότι οι αυριανοί, κβαντικοί υπολογιστές θα υπερτερούν τόσο πολύ έναντι των σημερινών, που βασίζονται στο τρανζίστορ, όσο υπερτερούν οι τελευταίοι έναντι του πρώτου, πειραματικού υπολογιστή, του περίφημου ENIAC, που κατασκευάστηκε από τους Αμερικανούς το 1946 με λυχνίες κενού.

Δεν είναι η πρώτη φορά που μια ερευνητική ομάδα ανακοινώνει ότι πραγματοποίησε ένα αποφασιστικό βήμα στον δρόμο για την κατασκευή κβαντικού υπολογιστή. Το 2005, ερευνητές του πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν, στις ΗΠΑ, κατασκεύασαν ένα κβαντικό, ολοκληρωμένο κύκλωμα που λειτουργούσε με «παγίδες ιόντων», διατάξεις που παράγονται με συνήθεις, λιθογραφικές τεχνικές. Το 2009, επιστήμονες από το πανεπιστήμιο του Γέιλ, και πάλι στις ΗΠΑ, παρουσίασαν τον πρώτο κβαντικό μικροεπεξεργαστή, ο οποίος βασιζόταν σε διατάξεις ημιαγωγών, όπως και τα συμβατικά τρανζίστορ. Η ύπαρξη τόσο διαφορετικών τεχνολογικών λύσεων στο πρόβλημα υποδηλώνει ότι η έρευνα για την κατασκευή του κβαντικού υπερυπολογιστή βρίσκεται ακόμη στη νηπιακή ηλικία της. Σύμφωνα με τις επικρατούσες, μέχρι χθες, εκτιμήσεις, η πρώτη λειτουργική μηχανή αυτού του είδους θα έρθει μετά από 25, πάνω-κάτω, χρόνια, ίσως και περισσότερα.

Ωστόσο, το πρόσφατο επίτευγμα των Βρετανών επιστημόνων και των συναδέλφων τους μπορεί να φέρει το μέλλον πολύ πιο κοντά. Ο Τζέρεμι Ο' Μπράιαν, διευθυντής του βρετανικού ερευνητικού κέντρου Quantum Photonics και συντονιστής του προγράμματος, πιστεύει ότι με τη νέα τεχνική ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής μπορεί να είναι διαθέσιμος σε ορίζοντα πενταετίας. Η επίδραση της επωαζόμενης τεχνολογικής επανάστασης προβλέπεται ότι θα είναι ευεργετικά θεαματική σε ευρύ φάσμα εφαρμογών, από τις επικοινωνίες μέχρι τη φαρμακευτική βιομηχανία, την κατασκευή νέων υλικών και αποτελεσματικότερων φωτοβολταϊκών στοιχείων.

Η παραγοντοποίηση

Ενας από τους τομείς που αναμένεται να δεχθεί τις πιο ανατρεπτικές επιδράσεις είναι η… κατασκοπεία! Τα περισσότερα από τα υπάρχοντα συστήματα κρυπτογράφησης πληροφοριών στηρίζονται στη δυσκολία των συμβατικών υπολογιστών να λύσουν, εντός λογικού χρόνου, το πρόβλημα της «παραγοντοποίησης», δηλαδή να σπάσουν έναν μεγάλο, ακέραιο αριθμό σε γινόμενο πρώτων αριθμών (π.χ. 2310=2Χ3Χ5Χ7Χ11). Ωστόσο, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να λύσουν το ίδιο πρόβλημα σε πολύ λιγότερο χρόνο, καθώς η βασική Φυσική στην οποία υπακούουν τους επιτρέπει να εκτελούν πολύ περισσότερες λειτουργίες ταυτόχρονα. Εύκολα αντιλαμβάνεται κανείς γιατί οι σχετικές έρευνες τυγχάνουν γενναιόδωρης χρηματοδότησης από τις μυστικές υπηρεσίες και τα υπουργεία Αμυνας των ΗΠΑ και άλλων ισχυρών κρατών.

Πέραν του αμερικανικού στρατιωτικού-βιομηχανικού συμπλέγματος, ζωηρό είναι το ενδιαφέρον που επιδεικνύουν πολλές κυβερνήσεις (με προεξάρχουσες εκείνες των ευρωπαϊκών χωρών, της Ιαπωνίας, του Καναδά και της Σιγκαπούρης) και επιχειρήσεις. Ιδιαίτερα στην Ευρωπαϊκή Ενωση η κβαντική ηλεκτρονική αντιμετωπίζεται ως το αποφασιστικό θεμέλιο για την Πληροφορική του 21ου αιώνα. Σ' αυτό το πλαίσιο εντάχθηκε το μεγάλο ερευνητικό πρόγραμμα QIPC της τετραετίας 2005-2009, όπως και το πρόγραμμα Eurosqip, για την κατασκευή ενός ευρωπαϊκού, κβαντικού μικροεπεξεργαστή, ο οποίος στηρίζεται στο φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας.

Φωτεινός «διακόπτης»

Το πρόγραμμα Eurosqip ολοκληρώθηκε με επιτυχία τον περασμένο Απρίλιο, πιστοποιώντας το προβάδισμα της Ευρώπης σε έναν από τους τομείς τεχνολογικής αιχμής, που ενδέχεται να παίξουν καθοριστικό ρόλο στο εγγύς μέλλον. Αλλη μια ένδειξη προς αυτή την κατεύθυνση, όπως γράφει στο τελευταίο τεύχος του το περιοδικό Scientific American, ήρθε πρόσφατα από το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ του Γκάρτσινγκ, στη Γερμανία, όπου ερευνητική ομάδα υπό τον καθηγητή Γκέρχαρντ Ρέμπε κατασκεύασε φωτεινό «διακόπτη» χρησιμοποιώντας ακτίνες λέιζερ, όπου η μία ακτίνα είναι σε θέση να ρυθμίσει την άλλη. Το επίτευγμα αυτό μπορεί να οδηγήσει στην κατασκευή μονάδων οπτικής μνήμης, οι οποίες θα έρθουν να προστεθούν στους οπτικούς επεξεργαστές του μέλλοντος, κάτι που θα αφαιρέσει ένα από τα σοβαρότερα εμπόδια για τη δημιουργία λειτουργικών κβαντικών υπολογιστών.

Αρκετές επιχειρήσεις οσμίζονται μελλοντικά κέρδη και επενδύουν σημαντικά ποσά στο πεδίο αυτό. Οπως συμβαίνει συνήθως στους κλάδους τεχνολογικής αιχμής, η καινοτομία προσελκύει, εκτός από τις παραγωγικές επενδύσεις, και τις αγρίως κερδοσκοπικές «φούσκες». Τον Φεβρουάριο του 2008, η εταιρεία D-Wave Systems, με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά, δέχθηκε τα πυρά πολλών επιστημόνων και τεχνικών όταν ανακοίνωσε ότι ανακάλυψε το μυστικό για την κατασκευή του πρώτου κβαντικού υπολογιστή, ο οποίος προορίζεται για την αγορά, του περίφημου Orion. Από τότε έχουν περάσει δυόμισι χρόνια, αλλά ούτε ο Orioούτε οποιοδήποτε άλλο «κβαντικό» προϊόν της εταιρείας έχει βρει τον δρόμο προς τα καταστήματα υπολογιστών. Παρ' όλα αυτά, η καλή εταιρεία κατάφερε να αποσπάσει 57 εκατομμύρια δολάρια από τους επενδυτές που συμμερίστηκαν την αισιοδοξία της. Μπορεί κοτζάμ Αϊνστάιν να μην πείσθηκε, μέχρι το τέλος της ζωής του, από την Κβαντική Φυσική, αλλά η όσφρηση των αγορών είναι, για ορισμένα πράγματα, αλάνθαστη.

• Thomas Levenson, «Ο Αϊνστάιν στο Βερολίνο», Λιβάνης, 2007.
• Ευτύχη Μπιτσάκη, «Η εξέλιξη των θεωριών της Φυσικής», Δαίδαλος - Ι. Ζαχαρόπουλος, 2008.
• Clive Cookson, «Computers set for quantum leap», Financial Times, 16/9/2010.
• Neil Gershenfeld and Isaac L. Chuang, «Quantum Computing with Molecules», Scientific American, June 2006.

Η λειτουργία του κβαντικού επεξεργαστή

Ανεξάρτητα από τη συγκεκριμένη τεχνολογία που χρησιμοποιούν τα διάφορα μοντέλα κβαντικού επεξεργαστή, όλα στηρίζονται σε δύο βασικές αρχές που διέπουν τους νόμους των μικροσκοπικών σωματιδίων της ύλης και περιγράφονται από την Κβαντική Φυσική: Την αρχή της «υπέρθεσης» (superposition) και την αρχή της «διεμπλοκής» (entanglement).

Η πρώτη μας λέει ότι ένα σωματίδιο του μικρόκοσμου, που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση, τη μεταφορά και την επεξεργασία πληροφορίας (φωτόνιο, αν χρησιμοποιείται το φως και ηλεκτρόνιο, αν χρησιμοποιείται ηλεκτρισμός) μπορεί να βρίσκεται σε περισσότερες από μία καταστάσεις ταυτόχρονα - κάτι σαν τη στοιχειωμένη γάτα στο περίφημο νοητικό πείραμα του Σρέντιγκερ, η οποία μπορεί να είναι ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα μέχρι να ανοίξει το κουτί ο παρατηρητής.

Αυτή η αλλόκοτη συμπεριφορά του μικρόκοσμου, η τόσο αντίθετη με τις εμπειρίες της καθημερινής μας ζωής, έχει τεράστιες επιπτώσεις στην επεξεργασία της πληροφορίας. Στα συμβατικά ψηφιακά τρανζίστορ, κάθε μονάδα πληροφορίας (bit) μπορεί να πάρει αυστηρά μία από δύο προκαθορισμένες τιμές, 0 ή 1, ανάλογα αν περνάει ή δεν περνάει ρεύμα από ένα συγκεκριμένο κύκλωμα. Αντίθετα, στον κβαντικό επεξεργαστή, κάθε κβαντική μονάδα πληροφορίας (qubit) μπορεί να πάρει πολλές τιμές ταυτόχρονα, επομένως ο υπολογιστής είναι σε θέση να αποθηκεύει και να επεξεργάζεται πολύ μεγαλύτερες ποσότητες πληροφορίας.

Το πλεονέκτημα αυτό των κβαντικών επεξεργαστών ενισχύεται από τη δεύτερη αρχή, της διεμπλοκής, η οποία σε χονδρές γραμμές μας λέει ότι η κατάσταση ενός qubit επηρεάζει ακαριαία την κατάσταση ενός άλλου, απομακρυσμένου qubit. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την αστραπιαία επεξεργασία ασύλληπτου όγκου πληροφοριών. Η τεχνική που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες του Μπρίστολ αντιπροσωπεύει θεαματική βελτίωση, καθώς για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε ως βασική μονάδα μετάδοσης της πληροφορίας όχι ένα φωτόνιο, αλλά ζεύγος φωτονίων, γεγονός που αυξάνει κατά πολύ τις υπολογιστικές δυνατότητες. Το επόμενο, μάλλον ευκολότερο από τεχνική άποψη, βήμα θα είναι να κατασκευαστεί κβαντικός επεξεργαστής που θα βασίζεται σε συστήματα πολλών φωτονίων.

Ωστόσο, τα τεχνικά προβλήματα που μένει να αντιμετωπισθούν δεν είναι λίγα. Πέραν της ανάγκης να σχεδιαστούν, εκτός από τους κβαντικούς επεξεργαστές και τις αντίστοιχες μνήμες, κατάλληλες μονάδες εισόδου-εξόδου των δεδομένων, το βασικό πρόβλημα έγκειται στην πολύ μεγάλη ευαισθησία των κβαντικών υπολογιστών στο εξωτερικό περιβάλλον, καθώς η παραμικρή διαταραχή θερμοκρασίας, πίεσης κ. λπ. μπορεί να προκαλέσει κατάρρευση της υπολογιστικής διαδικασίας.

Φως στη «στοιχειωμένη αλληλεπίδραση» του 1935

Ο Αϊνστάιν την χαρακτήρισε «στοιχειωμένη αλληλεπίδραση» και η αλήθεια είναι ότι στο μυστηριώδες Σύμπαν του μικρόκοσμου, η λεγόμενη «κβαντική διεμπλοκή» αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο των μυστηρίων. Η ιστορία της άρχισε το 1935, όταν ο Αϊνστάιν, ο οποίος εκείνη την εποχή εργαζόταν στο πανεπιστήμιο του Πρίνστον, στις ΗΠΑ, πρότεινε ένα νοητικό πείραμα, το λεγόμενο EPR (από τα αρχικά του διάσημου Γερμανού θεωρητικού και των συνεργατών του, Ποντόλσκι και Ρόουζεν) για να στηρίξει την άποψή του, κατά την οποία η Κβαντική Φυσική ήταν ελλιπής και οδηγούσε σε απίθανα συμπεράσματα.

Αυτό που εν ολίγοις μας είπαν ο Αϊνστάιν και οι συνεργάτες του ήταν το εξής: Ας υποθέσουμε ότι από κάποια πηγή εκπέμπονται προς διαφορετικές κατευθύνσεις δύο σωματίδια που μέχρι εκείνη τη στιγμή αλληλεπιδρούσαν - π.χ. δύο ηλεκτρόνια ή δύο φωτόνια. Αν μετά από κάποιο χρόνο αλλάξουμε την κατάσταση του ενός σωματιδίου, αυτομάτως θα αλλάξει με απολύτως καθορισμένο τρόπο η κατάσταση και του άλλου, ακόμη κι αν βρίσκεται μίλια μακριά, λες και υπάρχει κάποιου είδους μυστική και ακαριαία «συνεννόηση» μεταξύ τους!

Αργότερα, ένας Ιρλανδός μαθηματικός, ο Τζον Μπελ, πρότεινε έναν τρόπο να ελεγχθεί πειραματικά αυτή η ιδέα, η οποία, όσο τρελή κι αν ακουγόταν, αποτελούσε αναπόφευκτο επακόλουθο της Κβαντικής Θεωρίας.

Πράγματι, το 1982 ο Γάλλος φυσικός Αλέν Ασπέκτ εκτέλεσε οπτικό πείραμα που επιβεβαίωσε πανηγυρικά το παράδοξο φαινόμενο EPR και μαζί του την Κβαντική Θεωρία, μεγεθύνοντας ταυτόχρονα τα ερωτήματα για τα επιστημολογικά της θεμέλια. Πριν από λίγους μήνες, ομάδα Γάλλων, Γερμανών και Ισπανών επιστημόνων επιβεβαίωσε για πρώτη φορά την κβαντική διεμπλοκή και στο επίπεδο ηλεκτρονικών κυκλωμάτων με ημιαγωγούς, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών.

Το Προσωπο: Άλμπερτ Αϊνστάιν

Είναι γνωστό ότι ο Άλμπερτ Αϊνστάιν τιμήθηκε με το Βραβείο Νομπέλ Φυσικής όχι για τον προσωπικό του άθλο, τη Θεωρία της Σχετικότητας, αλλά για τη συμβολή του στο συλλογικό δημιούργημα της Κβαντικής Θεωρίας, με την οποία ουδέποτε, σε όλη τη διάρκεια της ζωής του, συμφιλιώθηκε. Ηδη το 1912, επτά χρόνια μετά τη δημοσίευση της σχετικής εργασίας που θα του χάριζε το Νομπέλ, αντιμετωπίζει την καινούργια θεωρία, που βρίσκεται ακόμη στη βρεφική της ηλικία, σαν άλλος δρ Φρανκενστάιν - ένα τέρας, για τη γέννηση του οποίου φέρει βαριά, προσωπική ευθύνη: «Δεν μπορεί κανείς να πιστέψει την ύπαρξη μετρήσιμων κβάντων», δήλωσε κατηγορηματικά στα λαμπρότερα επιστημονικά μυαλά της εποχής του, στο συνέδριο Σολβέ, για να προσθέσει: «Οσο μεγαλύτερη επιτυχία σημειώνει η κβαντική θεωρία τόσο πιο ανόητη φαίνεται»!

Τα χειρότερα, για τον Αϊνστάιν, ήρθαν τη διετία 1926-1927, πρώτα με την περίφημη εξίσωση του Αυστριακού φυσικού Ερβιν Σρέντινγκερ, όπου οι θεμελιώδεις νόμοι του μικροκόσμου περιγράφονται με όρους πιθανοτήτων, και έπειτα με τη διατύπωση της αρχής της αβεβαιότητας από τον Γερμανό συνάδελφό του Βέρνερ Χάιζενμπεργκ. Η αλλεργία του Αϊνστάιν για οποιαδήποτε μορφή πιθανοκρατίας και η εμμονή του στο πρότυπο ενός απολύτως αιτιοκρατικού Σύμπαντος αποτυπώθηκαν στο πασίγνωστο: «Εγώ, όπως και να έχει, είμαι πεπεισμένος ότι Αυτός δεν παίζει ζάρια».

Η «εσωτερική φωνούλα» αποδείχθηκε εσφαλμένη και στοίχισε σ’ αυτό το τρομερό μυαλό δεκαετίες ερευνητικών περιπλανήσεων σε άγονους δρόμους. Ωστόσο, ο Αϊνστάιν υπήρξε μεγάλος ακόμη και στην πλάνη του, γιατί πάνω απ’ όλα ήταν πάντα διανοητικά έντιμος. Οταν κλήθηκε να υποβάλει προτάσεις στην επιτροπή του Βραβείου Νομπέλ Φυσικής, πρότεινε δύο ανθρώπους: τον Σρέντιγκερ και τον… Χάιζενμπεργκ! Στη σχετική επιστολή του εξηγούσε: «Είμαι βέβαιος ότι η εν λόγω θεωρία εμπεριέχει αναμφίβολα ένα μέρος της απόλυτης αλήθειας». Και στο λυκόφως της ζωής του, το 1953, σημείωνε με θλίψη ότι «είναι αμφίβολο» κατά πόσο θα μπορούσε ποτέ να υπάρξει μια καλύτερη φυσική θεωρία, πέρα από τις καταραμένες πιθανότητες της κβαντικής φυσικής, για να προσθέσει: «Και όμως, τα παρηγορητικά λόγια του Λέσινγκ δεν λένε να φύγουν από το μυαλό: Ο πόθος για την αλήθεια είναι πολυτιμότερος από την επιβεβαιωμένη κατάκτησή της».

26/09/2010 - kathimerini.gr

Διαβάστε επίσης:

• Γεγονός η πρώτη κβαντική «γεννήτρια» πραγματικά τυχαίων αριθμών
• Η Toshiba φέρνει πιο κοντά τους κβαντικούς υπολογιστές
• Η Google επιστρατεύει κβαντικούς αλγόριθμους για καλύτερες αναζητήσεις & Google Instant: Ακόμη ταχύτερη αναζήτηση
• Έσπασε η «απαραβίαστη» κβαντική κρυπτογράφηση
• Έρχεται άνθιση στην αγορά ημιαγωγών
• Το μέλλον των υπολογιστών είναι... ρευστό