Σειρά ανακαλύψεων στον κβαντικό υπολογισμό
Ένας συνηθισμένος υπολογιστής, ο οποίος τώρα αναφέρεται ως κλασικός ή παραδοσιακός υπολογιστής λειτουργεί με βάση τη βασική έννοια των 0 και 1 (μηδενικά και ένα). Όταν ρωτάμε το υπολογιστή για να κάνετε μια εργασία για εμάς, για παράδειγμα έναν μαθηματικό υπολογισμό ή κράτηση ενός ραντεβού ή οτιδήποτε σχετίζεται με την καθημερινή ζωή, αυτή η εργασία τη δεδομένη στιγμή μετατρέπεται (ή μεταφράζεται) σε μια συμβολοσειρά 0 και 1 (η οποία στη συνέχεια ονομάζεται input), αυτή η είσοδος υποβάλλεται σε επεξεργασία από έναν αλγόριθμο (που ορίζεται ως ένα σύνολο κανόνων που πρέπει να ακολουθούνται για την ολοκλήρωση μιας εργασίας σε έναν υπολογιστή). Μετά από αυτήν την επεξεργασία, επιστρέφεται μια νέα συμβολοσειρά από 0 και 1 (που ονομάζεται έξοδος) και αυτή κωδικοποιεί για το αναμενόμενο αποτέλεσμα και μεταφράζεται ξανά σε απλούστερες φιλικές προς το χρήστη πληροφορίες ως «απάντηση» σε αυτό που ήθελε ο χρήστης να κάνει ο υπολογιστής . Είναι συναρπαστικό το γεγονός ότι ανεξάρτητα από το πόσο έξυπνος ή έξυπνος μπορεί να φαίνεται ο αλγόριθμος και όποιο κι αν είναι το επίπεδο δυσκολίας της εργασίας, ένας αλγόριθμος υπολογιστή κάνει μόνο αυτό - χειρισμό σειράς bit - όπου κάθε bit είναι είτε 0 είτε 1. Ο χειρισμός συμβαίνει στον υπολογιστή (στο τέλος του λογισμικού) και στο επίπεδο του μηχανήματος αυτό αντιπροσωπεύεται από ηλεκτρικά κυκλώματα (στη μητρική πλακέτα του υπολογιστή). Στην ορολογία υλικού όταν το ρεύμα διέρχεται από αυτά τα ηλεκτρικά κυκλώματα, είναι κλειστό και είναι ανοιχτό όταν δεν υπάρχει ρεύμα.
Κλασικός εναντίον κβαντικού υπολογιστή
Επομένως, στους κλασικούς υπολογιστές, το bit είναι μια ενιαία πληροφορία που μπορεί να υπάρχει σε δύο πιθανές καταστάσεις – 0 ή 1. Ωστόσο, αν μιλάμε για κβαντική υπολογιστές, χρησιμοποιούν συνήθως κβαντικά bit (ονομάζονται επίσης «qubits»). Αυτά είναι κβαντικά συστήματα με δύο καταστάσεις, ωστόσο, σε αντίθεση με το συνηθισμένο bit (αποθηκευμένο ως 0 ή 1), τα qubits μπορούν να αποθηκεύσουν πολύ περισσότερες πληροφορίες και μπορούν να υπάρχουν σε οποιαδήποτε υπόθεση αυτών των τιμών. Για να εξηγήσουμε καλύτερα, ένα qubit μπορεί να θεωρηθεί ως μια φανταστική σφαίρα, όπου το qubit μπορεί να είναι οποιοδήποτε σημείο της σφαίρας. Μπορεί να ειπωθεί ότι ο κβαντικός υπολογισμός εκμεταλλεύεται την ικανότητα των υποατομικών σωματιδίων να υπάρχουν σε περισσότερες από μία καταστάσεις κάθε δεδομένη στιγμή και να εξακολουθούν να είναι αμοιβαία αποκλειόμενα. Από την άλλη πλευρά, ένα κλασικό bit μπορεί να βρίσκεται μόνο σε δύο καταστάσεις – για παράδειγμα στο τέλος δύο πόλων της σφαίρας. Στη συνηθισμένη ζωή δεν είμαστε σε θέση να δούμε αυτήν την «υπερθέση» γιατί όταν ένα σύστημα δει κανείς στο σύνολό του, αυτές οι υπερθέσεις εξαφανίζονται και αυτός είναι ο λόγος που η κατανόηση τέτοιων υπερθέσεων είναι ασαφής.
What this means for the computers is that quantum computers using qubits can store a huge amount of information using lesser energy than a classical computer and thus operations or calculations can be relatively done much faster on a quantum computer. So, a classical computer can take a 0 or 1, two bits in this computer can be in four possible states (00, 01, 10 or 11), but only one state is represented at any given time. A quantum computer, on the other hand works with particles that can be in superposition, allowing two qubits to represent the exact same four states at the same time because of the property of superposition freeing up the computers from ‘binary constraint’. This can be equivalent to four computers running simultaneously and if we add these qubits, the power of the quantum computer grows exponentially. Quantum computers also take advantage of another property of quantum physics called ‘quantum entanglement’, defined by Albert Einstein, entanglement is a property which allows quantum particles to connect and communicate regardless of their location in the σύμπαν so that changing the state of one may instantaneously affect the other. The dual capabilities of ‘superposition’ and ‘entanglement’ are quite powerful in principle. Therefore, what a quantum computer can achieve is unimaginable when compared to classical computers. This all sounds very exciting and straightforward, however, there is problem in this scenario. A quantum computer, if takes qubits (superposed bits) as its input, its output will also be similarly in a quantum state i.e. an output having superposed bits which can also keep changing depending on what state it is in. This kind of output doesn’t really allow us to receive all the information and therefore the biggest challenge in the art of quantum computing is to find ways of gaining as much information from this quantum output.
Ο κβαντικός υπολογιστής θα είναι εδώ!
Quantum computers can be defined as powerful machines, based on the principals of quantum mechanics that take a completely new approach to processing information. They seek to explore complex laws of nature that have always existed but have usually remained hidden. If such natural phenomena can be explored, quantum computing can run new types of algorithms to process information and this could lead to innovative breakthroughs in materials science, drug discovery, robotics and artificial intelligence. The idea of a quantum computer was proposed by American theoretical physicist Richard Feynman way back in 1982. And today, technology companies (such as IBM, Microsoft, Google, Intel) and academic institutions (like MIT, and Princeton University) are working on quantum computer prototypes to create a mainstream quantum computer. International Business Machines Corp. (IBM) has said recently that its scientists have built a powerful quantum computing platform and it can be made available for access but remark that it’s not enough for performing most of the tasks. They say that a 50-qubit prototype which is currently being developed can solve many problems which classical computers do today and in the future 50-100 qubit computers would largely fill the gap i.e. a quantum computer with just a few hundred qubits would be able to perform more calculations simultaneously than there are atoms in the known σύμπαν. Realistically speaking, the path to where a quantum computer can actually outperform a classical computer on difficult tasks is laden with difficulties and challenges. Recently Intel has declared that the company’s new 49-qubit quantum computer represented a step towards this “quantum supremacy”, in a major advancement for the company who had demonstrated a 17-bit qubit system only just 2 months ago. Their priority is to keep expanding the project, based upon the understanding that expanding number of qubits is the key to creating quantum computers that can deliver real-world results.
Το υλικό είναι το κλειδί για την κατασκευή κβαντικού υπολογιστή
Το υλικό πυρίτιο αποτελεί αναπόσπαστο μέρος των υπολογιστών για δεκαετίες, επειδή οι βασικές δυνατότητές του το καθιστούν κατάλληλο για γενικούς (ή κλασικούς) υπολογιστές. Ωστόσο, όσον αφορά τους κβαντικούς υπολογιστές, λύσεις που βασίζονται σε πυρίτιο δεν έχουν υιοθετηθεί κυρίως για δύο λόγους, πρώτον είναι δύσκολος ο έλεγχος των qubits που κατασκευάζονται σε πυρίτιο και δεύτερον, δεν είναι ακόμη σαφές εάν τα qubits πυριτίου θα μπορούσαν να κλιμακωθούν όπως και άλλοι λύσεις. Σε μια σημαντική πρόοδο που έχει αναπτύξει η Intel πολύ πρόσφατα1 ένας νέος τύπος qubit γνωστό ως 'spin qubit' που παράγεται σε συμβατικό πυρίτιο. Τα spin qubits μοιάζουν πολύ με ηλεκτρονικά ημιαγωγών και παρέχουν την κβαντική τους ισχύ αξιοποιώντας το σπιν ενός μόνο ηλεκτρονίου σε μια συσκευή πυριτίου και ελέγχοντας την κίνηση με μικροσκοπικούς παλμούς μικροκυμάτων. Δύο σημαντικά πλεονεκτήματα που οδήγησαν στην κίνηση της Intel προς αυτή την κατεύθυνση είναι, πρώτον, η Intel ως εταιρεία έχει ήδη επενδύσει σε μεγάλο βαθμό στη βιομηχανία πυριτίου και επομένως έχει τη σωστή τεχνογνωσία στο πυρίτιο. Δεύτερον, τα qubit πυριτίου είναι πιο ωφέλιμα επειδή είναι μικρότερα από τα συμβατικά qubit και αναμένεται να διατηρούν συνοχή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αυτό είναι πρωταρχικής σημασίας όταν τα συστήματα κβαντικών υπολογιστών πρέπει να κλιμακωθούν (π.χ. από 100-qubit σε 200-qubit). Η Intel δοκιμάζει αυτό το πρωτότυπο και η εταιρεία αναμένει να παράγει τσιπ με χιλιάδες μικρές συστοιχίες qubit και μια τέτοια παραγωγή όταν γίνεται χύμα μπορεί να είναι πολύ καλή για την κλιμάκωση των κβαντικών υπολογιστών και μπορεί να είναι ένας πραγματικός μετατροπέας παιχνιδιών.
Σε πρόσφατη έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Επιστήμη, ένα πρόσφατα σχεδιασμένο μοτίβο για φωτονικούς κρυστάλλους (δηλαδή ένα σχέδιο κρυστάλλου που εφαρμόζεται σε ένα φωτονικό τσιπ) αναπτύχθηκε από μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Maryland, ΗΠΑ, το οποίο ισχυρίζεται ότι θα κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές πιο προσιτούς2. Αυτά τα φωτόνια είναι η μικρότερη ποσότητα φωτός που είναι γνωστή και αυτοί οι κρύσταλλοι ήταν παγιωμένοι με οπές που προκαλούν το φως να αλληλεπιδράσει. Διαφορετικά σχέδια οπών αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο το φως κάμπτεται και αναπηδά μέσα από τον κρύσταλλο και εδώ έγιναν χιλιάδες τριγωνικές τρύπες. Μια τέτοια χρήση μεμονωμένων φωτονίων είναι σημαντική για τη διαδικασία δημιουργίας κβαντικών υπολογιστών επειδή οι υπολογιστές θα έχουν στη συνέχεια τη δυνατότητα να υπολογίζουν μεγάλους αριθμούς και χημικές αντιδράσεις που οι σημερινοί υπολογιστές δεν είναι σε θέση να κάνουν. Ο σχεδιασμός του τσιπ καθιστά δυνατή τη μεταφορά φωτονίων μεταξύ κβαντικών υπολογιστών χωρίς απώλειες. Αυτή η απώλεια έχει επίσης θεωρηθεί ως μια μεγάλη πρόκληση για τους κβαντικούς υπολογιστές και έτσι αυτό το τσιπ φροντίζει το πρόβλημα και επιτρέπει την αποτελεσματική διαδρομή του κβαντική πληροφορίες από το ένα σύστημα στο άλλο.
Μελλοντικός
Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται να εκτελούν υπολογισμούς πολύ πέρα από κάθε συμβατικό υπερυπολογιστή. Έχουν τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση στην ανακάλυψη νέων υλικών καθιστώντας δυνατή την προσομοίωση της συμπεριφοράς της ύλης μέχρι το ατομικό επίπεδο. Επίσης, δημιουργεί ελπίδες για την τεχνητή νοημοσύνη και τη ρομποτική επεξεργάζοντας δεδομένα ταχύτερα και αποτελεσματικότερα. Η παροχή ενός εμπορικά βιώσιμου συστήματος κβαντικών υπολογιστών θα μπορούσε να γίνει από οποιονδήποτε από τους μεγάλους οργανισμούς τα επόμενα χρόνια, καθώς αυτή η έρευνα είναι ακόμα ανοιχτή και είναι ένα δίκαιο παιχνίδι για όλους. Αναμένονται σημαντικές ανακοινώσεις τα επόμενα πέντε έως επτά χρόνια και ιδανικά, μιλώντας με τη σειρά των εξελίξεων που γίνονται, θα πρέπει να αντιμετωπιστούν μηχανολογικά προβλήματα και ένας κβαντικός υπολογιστής 1 εκατομμυρίου ή περισσότερων qubits θα πρέπει να είναι πραγματικότητα.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
1. Castelvecchi D. 2018. Το πυρίτιο κερδίζει έδαφος στον αγώνα κβαντικών υπολογιστών. Φύση. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Μια τοπολογική διασύνδεση κβαντικής οπτικής. Επιστήμη. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
