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.
Αυτό σημαίνει για τους υπολογιστές ότι οι κβαντικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούν qubits μπορούν να αποθηκεύσουν μια τεράστια ποσότητα πληροφοριών χρησιμοποιώντας λιγότερη ενέργεια από έναν κλασικό υπολογιστή και έτσι οι λειτουργίες ή οι υπολογισμοί μπορούν να γίνουν σχετικά πιο γρήγορα σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Έτσι, ένας κλασικός υπολογιστής μπορεί να πάρει ένα 0 ή 1, δύο bit σε αυτόν τον υπολογιστή μπορεί να είναι σε τέσσερις πιθανές καταστάσεις (00, 01, 10 ή 11), αλλά μόνο μία κατάσταση αναπαρίσταται κάθε δεδομένη στιγμή. Ένας κβαντικός υπολογιστής, από την άλλη πλευρά, λειτουργεί με σωματίδια που μπορεί να βρίσκονται σε υπέρθεση, επιτρέποντας σε δύο qubits να αντιπροσωπεύουν τις ίδιες ακριβώς τέσσερις καταστάσεις την ίδια στιγμή, λόγω της ιδιότητας της υπέρθεσης που απελευθερώνει τους υπολογιστές από τον «δυαδικό περιορισμό». Αυτό μπορεί να ισοδυναμεί με τέσσερις υπολογιστές που λειτουργούν ταυτόχρονα και αν προσθέσουμε αυτά τα qubits, η ισχύς του κβαντικού υπολογιστή αυξάνεται εκθετικά. Οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται επίσης μια άλλη ιδιότητα της κβαντικής φυσικής που ονομάζεται «κβαντική εμπλοκή», που ορίζεται από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, η εμπλοκή είναι μια ιδιότητα που επιτρέπει στα κβαντικά σωματίδια να συνδέονται και να επικοινωνούν ανεξάρτητα από τη θέση τους στο σύμπαν έτσι ώστε η αλλαγή της κατάστασης του ενός μπορεί να επηρεάσει στιγμιαία το άλλο. Οι διπλές δυνατότητες της «υπερθέσεως» και της «μπλεξίματος» είναι καταρχήν αρκετά ισχυρές. Επομένως, αυτό που μπορεί να πετύχει ένας κβαντικός υπολογιστής είναι αδιανόητο σε σύγκριση με τους κλασσικούς υπολογιστές. Όλα αυτά ακούγονται πολύ συναρπαστικά και ξεκάθαρα, ωστόσο, υπάρχει πρόβλημα σε αυτό το σενάριο. Ένας κβαντικός υπολογιστής, εάν λάβει qubits (υποτιθέμενα bit) ως είσοδο, η έξοδος του θα είναι επίσης σε κβαντική κατάσταση, π.χ. μια έξοδος με υπερτιθέμενα bit τα οποία μπορούν επίσης να συνεχίσουν να αλλάζουν ανάλογα με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται. Αυτό το είδος εξόδου δεν Δεν μας επιτρέπει πραγματικά να λαμβάνουμε όλες τις πληροφορίες και επομένως η μεγαλύτερη πρόκληση στην τέχνη των κβαντικών υπολογιστών είναι να βρούμε τρόπους να αποκτήσουμε όσες περισσότερες πληροφορίες από αυτή την κβαντική έξοδο.
Ο κβαντικός υπολογιστής θα είναι εδώ!
Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να οριστούν ως ισχυρές μηχανές, βασισμένες στις αρχές της κβαντικής μηχανικής που ακολουθούν μια εντελώς νέα προσέγγιση στην επεξεργασία πληροφοριών. Επιδιώκουν να εξερευνήσουν περίπλοκους νόμους της φύσης που πάντα υπήρχαν αλλά συνήθως παρέμεναν κρυμμένοι. Εάν μπορούν να διερευνηθούν τέτοια φυσικά φαινόμενα, ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να τρέξει νέους τύπους αλγορίθμων για την επεξεργασία πληροφοριών και αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε καινοτόμες ανακαλύψεις στην επιστήμη των υλικών, την ανακάλυψη φαρμάκων, τη ρομποτική και την τεχνητή νοημοσύνη. Η ιδέα ενός κβαντικού υπολογιστή προτάθηκε από τον Αμερικανό θεωρητικό φυσικό Richard Feynman το 1982. Και σήμερα, εταιρείες τεχνολογίας (όπως η IBM, η Microsoft, η Google, η Intel) και τα ακαδημαϊκά ιδρύματα (όπως το MIT και το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον) εργάζονται πάνω στο κβαντικό πρωτότυπα υπολογιστών για τη δημιουργία ενός mainstream κβαντικού υπολογιστή. Η International Business Machines Corp. (IBM) δήλωσε πρόσφατα ότι οι επιστήμονές της έχουν δημιουργήσει μια ισχυρή πλατφόρμα κβαντικών υπολογιστών και μπορεί να είναι διαθέσιμη για πρόσβαση, αλλά επισημαίνουν ότι δεν αρκεί για την εκτέλεση των περισσότερων από τις εργασίες. Λένε ότι ένα πρωτότυπο 50 qubit που αναπτύσσεται αυτή τη στιγμή μπορεί να λύσει πολλά προβλήματα που κάνουν οι κλασικοί υπολογιστές σήμερα και στο μέλλον υπολογιστές 50-100 qubit θα κάλυπταν σε μεγάλο βαθμό το κενό, δηλαδή ένας κβαντικός υπολογιστής με μόλις μερικές εκατοντάδες qubits θα μπορούσε να εκτελούν περισσότερους υπολογισμούς ταυτόχρονα από ό,τι υπάρχουν άτομα στα γνωστά σύμπαν. Ρεαλιστικά μιλώντας, το μονοπάτι όπου ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί πραγματικά να ξεπεράσει τον κλασικό υπολογιστή σε δύσκολες εργασίες είναι φορτωμένος με δυσκολίες και προκλήσεις. Πρόσφατα η Intel δήλωσε ότι ο νέος κβαντικός υπολογιστής 49-qubit της εταιρείας αντιπροσώπευε ένα βήμα προς αυτήν την «κβαντική υπεροχή», σε μια σημαντική πρόοδο για την εταιρεία που είχε επιδείξει ένα σύστημα qubit 17-bit μόλις πριν από 2 μήνες. Η προτεραιότητά τους είναι να συνεχίσουν να επεκτείνουν το έργο, με βάση την κατανόηση ότι η επέκταση του αριθμού των qubits είναι το κλειδί για τη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών που μπορούν να προσφέρουν αποτελέσματα στον πραγματικό κόσμο.
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.
***
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
***
