H αυγή των κβαντικών υπολογιστών

Τεχνολογικές ανατροπές από τη «σύμπλεξη» της Κβαντομηχανικής με την Πληροφορική

→Γιατί η δημιουργία κβαντικών υπολογιστών θεωρείται ότι θα είναι η επόμενη τεχνολογική επανάσταση; Επειδή οι σημερινοί υπολογιστές, που βασίζονται στα μπιτ, μπορούν να επεξεργάζονται τις πληροφορίες γραμμικά, εκτελώντας μόνο μία πράξη τη φορά, ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές, που βασίζονται στα q-μπιτ, θα είναι σε θέση να επεξεργάζονται ταχύτατα και παράλληλα έναν ασύλληπτο αριθμό πληροφοριών
Για κάθε πραγματικά μεγάλη επιστημονική θεωρία ή ιδέα έρχεται, αργά ή γρήγορα, η ιστορική στιγμή που οι επιστημονικές και κοινωνικές συνθήκες επιβάλλουν -και προφανώς επιτρέπουν- τη μεταμόρφωσή της σε τεχνολογία.
Τα παραδείγματα αναρίθμητα: η ατομική θεωρία σε πυρηνική τεχνολογία, η μοριακή βιολογία σε γενετική μηχανική και βιοτεχνολογία, η θεωρία της πληροφορίας σε ολοένα και πιο ισχυρούς ψηφιακούς υπολογιστές.
Όπως όλα δείχνουν, μια ανάλογη και εξίσου μεγαλειώδης τεχνολογική μετάλλαξη συντελείται και στις μέρες μας μόνο που, αυτή τη φορά, πρωταγωνιστές των νέων τεχνολογικών εξελίξεων είναι μερικές από τις πιο «αλλοπαρμένες» και ρηξικέλευθες έννοιες της κβαντικής φυσικής. Πρόκειται για μερικές καθαρά θεωρητικές έννοιες της κβαντομηχανικής, όπως η «υπέρθεση», η «μη τοπικότητα» και η «σύμπλεξη», οι οποίες, ενώ μέχρι χθες θεωρούνταν εντελώς αόριστες, απόκοσμες ή και μυστικιστικές, σήμερα φαίνεται πως πυροδοτούν τις πιο επαναστατικές τεχνοεπιστημονικές ανατροπές.
Άλλη μια σαφέστατη επιβεβαίωση για το πόσο κοντόφθαλμη και τελικά αυτοκαταστροφική είναι η στρατηγική των σημερινών νεοφιλελεύθερων πολιτικών οι οποίες εστιάζουν και πριμοδοτούν μόνο τις άμεσες τεχνολογικές εφαρμογές της επιστήμης, υποβαθμίζοντας έτσι συστηματικά τη σημασία και την κοινωνική αξία της βασικής έρευνας.

Σύμπλεξη και πληροφορία

Τo μακρινό 1935, σ’ ένα περίφημο άρθρο του στο περιοδικό «Die Naturwissenschaften» (τεύχ. 49, σ. 53) ο Ερβιν Σρέντιγκερ, ένας από τους πατέρες της κβαντομηχανικής, εισηγήθηκε, πρώτη φορά, την ιδιαίτερα σκοτεινή ιδέα της «κβαντικής σύμπλεξης» (Quantum entanglement).
Κατά τον Σρέντιγκερ, η «κβαντική σύμπλεξη» εμφανίζεται ανάμεσα σε δύο ή περισσότερα μικροσωματίδια (π.χ. ανάμεσα σε ηλεκτρόνια ή ανάμεσα σε φωτόνια), τα οποία, αν και απέχουν μεταξύ τους τεράστιες αποστάσεις, μπορούν με έναν εντελώς άγνωστο και σχεδόν μαγικό τρόπο να «επικοινωνούν» και να «αντιλαμβάνονται» το καθένα τις μεταβολές που υφίσταται το άλλο. Αν, για παράδειγμα, αλλάξει το σπιν ή η ιδιοπεριστροφή του ενός σωματιδίου, αυτό γίνεται ταυτοχρόνως «αντιληπτό» και έχει αμέσως επιπτώσεις στο σπιν και του άλλου, ανεξάρτητα από την τεράστια απόσταση που υπάρχει μεταξύ τους!
Από όλα τα περίφημα κβαντικά παράδοξα, η σύμπλεξη είναι το πιο απίστευτο και εξωφρενικό. Διόλου περίεργο, λοιπόν, που ο Αϊνστάιν είχε υποτιμητικά χαρακτηρίσει αυτό το φαινόμενο ως «στοιχειωμένο», για να καυτηριάσει τον υπερφυσικό και απόκοσμο χαρακτήρα του.
Δυστυχώς για τους λάτρεις ενός στείρου και επιστημονικά ξεπερασμένου «ρεαλισμού», έναν σχεδόν αιώνα μετά την ανακάλυψή τους, τα κβαντικά παράδοξα –όπως π.χ. της υπέρθεσης, της μη τοπικότητας και κυρίως της σύμπλεξης– όχι μόνο δεν διαψεύστηκαν ποτέ αλλά, αντίθετα, επιβεβαιώνονται από πλήθος πειραματικών έλεγχων. Εξάλλου, η ιστορία της επιστήμης μας διδάσκει ότι τα «παράδοξα», αντί να αποτελούν δήθεν ανυπέρβλητα εμπόδια, συχνά αποδεικνύονται γόνιμα και ιδιαίτερα παραγωγικά «προβλήματα», που συμβάλλουν αποφασιστικά στην πρόοδο της ανθρώπινης γνώσης.
Ίσως η καλύτερη απόδειξη για την επιστημονική γονιμότητα των κβαντικών παραδόξων είναι η σχετικά πρόσφατη αλλά εκπληκτική πρόοδος της κβαντικής υπολογιστικής. Πράγματι, τα τελευταία τριάντα χρόνια επιφανείς κβαντικοί φυσικοί και πληροφορικοί έχουν καταφέρει να διαμορφώσουν ένα νέο διεπιστημονικό πεδίο έρευνας: αναζητώντας μια κβαντική θεωρία της πληροφορίας κατέληξαν να σχεδιάζουν νέες υπολογιστικές μηχανές, οι οποίες είναι ικανές για κβαντική επεξεργασία της πληροφορίας.
Όσο περίεργο κι αν ακούγεται, πίσω από αυτές τις καινοφανείς θεωρητικές-τεχνολογικές εξελίξεις βρίσκεται πάντα το «μαγικό» φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης. Αντί να την θεωρήσουν ως ένα αξιοπερίεργο φαινόμενο χωρίς σημασία και επιπτώσεις στη φυσική πραγματικότητα, αρκετοί ιδιοφυείς φυσικοί σκέφτηκαν να εξετάσουν μήπως η κβαντική σύμπλεξη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία της πληροφορίας, την επίλυση περίπλοκων υπολογιστικών προβλημάτων, και την υπέρβαση των εγγενών περιορισμών της ψηφιακής τεχνολογίας.
Το πέρασμα, όμως, από τη διερεύνηση της κβαντικής πληροφορίας στην τεχνολογία των κβαντικών υπολογιστών, στη δημιουργία δηλαδή πραγματικών κβαντικών υπολογιστικών μηχανών, δεν είναι ούτε τόσο εύκολο ούτε τόσο προφανές ή γραμμικό όσο μπορεί να φαίνεται.

Κβαντικό μπιτ εναντίον μπιτ

Την πρώτη πλήρη θεωρητική πρόταση για τη δημιουργία μιας νέας κβαντικής υπολογιστικής προσέγγισης επεξεργάζεται, στα 1982, ο μεγαλοφυής Αμερικανός θεωρητικός φυσικός Ρίτσαρντ Φέινμαν (Richard Feynman).
Μολονότι περίπλοκο στη μαθηματική του διατύπωση, το σκεπτικό του Φέινμαν ήταν αρκετά απλό: αν, όπως όλα δείχνουν, οι ψηφιακοί υπολογιστές τείνουν να γίνονται ολοένα μικρότεροι και ταχύτεροι, τότε πολύ γρήγορα τα βασικά λειτουργικά τους εξαρτήματα (λογικές πύλες, τρανζίστορ κ.ο.κ.) θα φτάσουν να έχουν τις διαστάσεις κάποιων ατόμων. Και συνεπώς η λειτουργία τους θα εξαρτάται και θα ρυθμίζεται από τους κανόνες που διέπουν τη μικροφυσική!
Αν λοιπόν θέλουμε, στο μέλλον, να αυξάνουμε διαρκώς τη χωρητικότητα, τη δύναμη και την ταχύτητα επεξεργασίας των υπολογιστικών μας μηχανών, τότε αυτές θα πρέπει αναπόφευκτα, όπως υποστηρίζει ο Φέινμαν, να μεταλλαχθούν από «κλασικούς» σε «κβαντικούς» υπολογιστές. Συνεπώς, εκτός τεχνολογικών απροόπτων (π.χ. βιολογικοί επεξεργαστές!), οι υπολογιστές του μέλλοντος θα είναι πιθανότατα κβαντικοί: η μικροδομή και η λειτουργία τους, δηλαδή οι ασύλληπτες σήμερα υπολογιστικές και αποθηκευτικές τους δυνατότητες, θα βασίζονται στις παράδοξες ιδιότητες του κβαντικού μικρόκοσμου.
Το πρώτο βήμα για την κβαντική επεξεργασία είναι η αντικατάσταση της κλασικής μονάδας των πληροφοριών, δηλαδή των μπιτ, από τις κβαντικές μονάδες πληροφορίας, δηλαδή τα κβαντικά μπιτ (qu-bits) ή, συντομογραφικά, q-μπιτ.
Μάλιστα, αν τα μπιτ είναι οι ιδεατές, αλλά μετρήσιμες, υπολογιστικές μονάδες που προκύπτουν από την κλασική φυσική, τότε τα q-μπιτ είναι ιδεατά κβαντικά αντικείμενα που προκύπτουν από τις αρχές της κβαντομηχανικής. Πρόκειται εμφανώς για έναν νέο και ευρύτερο ορισμό της μονάδας επεξεργασίας και υπολογιστικής αναπαράστασης των πληροφοριών: όπως τα μπιτ αποθηκεύονται και αναπαριστώνται από μαγνητικές περιοχές σε δίσκους, από διαφορές δυναμικού κ.ά., υπάρχουν δηλαδή ανεξάρτητα από το υλικό όπου αποθηκεύονται, έτσι και τα q-μπιτ είναι ημιαυτόνομα από την υλική τους αποτύπωση, μπορούν να αποτυπωθούν ως σπιν ατομικών πυρήνων, ως διαφορά στην πόλωση ενός φωτονίου.
Επιπλέον, ενώ το μπιτ περιγράφεται, δηλαδή κωδικεύται επαρκώς ως πληροφορία, από δύο μόνο εναλλακτικές καταστάσεις «ανοικτό-κλειστό», «ναι-όχι», 0 ή 1, το q-μπιτ αντιστοιχεί σε πολλές ταυτοχρόνως κβαντικές καταστάσεις, μπορεί να έχει περισσότερες δυνατές τιμές. Και αυτό είναι μια αποφασιστική διαφορά, γιατί η κβαντική πληροφορία αποτυπώνεται και ανασύρεται από έναν τεράστιο αριθμό εξίσου δυνατών καταστάσεων που ονομάζονται υπερθέσεις ή επαλληλίες.
Αν οι κλασικοί ψηφιακοί υπολογιστές χρησιμοποιούν αλληλουχίες από «0» και «1» για να αποθηκεύσουν και να μεταφέρουν τις πληροφορίες, οι κβαντικοί υπολογιστές αξιοποιούν την κατάσταση υπέρθεσης των σωματιδίων, όπου όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί υπάρχουν ταυτόχρονα, γεγονός που αυξάνει εντυπωσιακά την ποσότητα των πληροφοριών και την ταχύτητα επεξεργασίας τους.
Ωστόσο, τα q-μπιτ δεν αξιοποιούν μόνο την αρχή της κβαντικής υπέρθεσης ή επαλληλίας αλλά, όπως ήδη είπαμε, και την ακόμη πιο αινιγματική αρχή της κβαντικής σύμπλεξης: η κατάσταση κάθε κβαντικής μονάδας πληροφορίας (δηλαδή ενός ή περισσότερων q-μπιτ) επηρεάζει και επηρεάζεται αυτομάτως από την κατάσταση κάθε άλλου συζευγμένου q-μπιτ όσο μακριά κι αν βρίσκεται. Και οι προσπάθειες σήμερα εστιάζονται στο να αποκτήσουν οι κβαντικοί υπολογιστές τη δυνατότητα να χρησιμοποιούν q-μπιτ σε κβαντική σύμπλεξη, ώστε να είναι σε θέση να επεξεργάζονται αστραπιαία τεράστιες ποσότητες πληροφοριών.
Για να κατανοήσουμε τις θεμελιώδεις διαφορές ανάμεσα σε έναν «κλασικό» και έναν «κβαντικό» υπολογιστή θα πρέπει να καταφύγουμε σε μια αναλογία: είναι σαν να συγκρίνουμε ένα ελικόπτερο με ένα διαστημόπλοιο που εκτελεί διαγαλαξιακά ταξίδια. Υπό αυτήν την πολύ περιορισμένη οπτική γωνία, ένας κβαντικός υπολογιστής αποθηκεύει και επεξεργάζεται και αυτός πληροφορίες, το κάνει όμως με τρόπο εντελώς διαφορετικό από τον ψηφιακό υπολογιστή που έγραψε τις λέξεις που διαβάζετε αυτή τη στιγμή.

Άτομα στη θέση των τρανζίστορ

Στην πραγματικότητα οι κβαντικοί υπολογιστές είναι η προσπάθεια υλοποίησης ενός ολότελα νέου προτύπου, «Παραδείγματος» θα έλεγε ο Τόμας Κουν, για την επεξεργασία και την αποθήκευση-ανάκτηση κωδικευμένων πληροφοριών.
Και η κατασκευή τους στο μέλλον θα απαιτήσει την υιοθέτηση μιας υπολογιστικής αρχιτεκτονικής εντελώς διαφορετικής από αυτήν των σημερινών υπολογιστικών μηχανών. Και αυτό γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές, καταφεύγοντας στις εγγενείς μικροφυσικές ιδιότητες των νέων υλικών, μπορούν, θεωρητικά, όχι μόνο να προσομοιώνουν οποιονδήποτε υπαρκτό ή μελλοντικό ψηφιακό υπολογιστή, αλλά και να εκτελούν με ασύλληπτη ταχύτητα όλες τις υπολογιστικές διεργασίες που διεκπεραιώνουν οι σημερινοί υπολογιστές.
Γιατί όμως οι ικανότητες των κβαντικών υπολογιστών είναι τόσο διαφορετικές από αυτές των κλασικών υπολογιστών που βασίζονται στα τρανζίστορ και, απ’ ό,τι φαίνεται, περιορίζονται από αυτά; Το μυστικό για αυτές τις «μαγικές» ικανότητες θα πρέπει να το αναζητήσουμε στις τεράστιες κωδικευτικές δυνατότητες των q-μπιτ, των κβαντικών μονάδων επεξεργασίας της πληροφορίας: όσο μεγαλώνει ο αριθμός των q-μπιτ που επεξεργάζεται ένας κβαντικός υπολογιστής τόσο αυξάνονται -και μάλιστα εκθετικά- οι ικανότητες επεξεργασίας που διαθέτει!
Πάντως, το πρώτο δύσκολο και αποφασιστικό βήμα για την κατασκευή των κβαντικών υπολογιστικών έχει ήδη συντελεστεί! Διαφορετικές ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο κατάφεραν να δημιουργήσουν κβαντικούς επεξεργαστές στερεάς κατάστασης, αξιοποιώντας τεχνικές ανάλογες με αυτές που χρησιμοποιεί μέχρι τώρα η βιομηχανία παραγωγής τσιπ πυριτίου.
Ας σημειωθεί ότι ο πρώτος «πρωτόγονος» κβαντικός επεξεργαστής κατασκευάστηκε το 2009 στο Πανεπιστήμιο Γέιλ (Yale University) των ΗΠΑ. Από τότε όμως έχει συντελεστεί ουσιαστική πρόοδος και έχουν δημιουργηθεί αρκετοί πολύ πιο πολύπλοκοι και λειτουργικοί κβαντικοί επεξεργαστές.
Μια άλλη εξίσου σημαντική εξέλιξη προς αυτήν την κατεύθυνση πραγματοποιήθηκε πέρυσι από μια ομάδα Αμερικανών και Αυστραλών φυσικών. Αυτοί κατάφεραν να δημιουργήσουν το πιο μικρό κβαντικό «τρανζίστορ» στον κόσμο: αντικατέστησαν τα άτομα πυριτίου με 6 «συμπεπλεγμένα» άτομα φωσφόρου, τα οποία δεν επεξεργάζονται την πληροφορία με τον δυαδικό τρόπο των μπιτ αλλά ως κβαντικά q-μπιτ.
Εντωμεταξύ, και ενώ στα πανεπιστήμια προχωρά η σοβαρή έρευνα για τη δημιουργία στο απώτερο μέλλον πραγματικών κβαντικών υπολογιστών, μια επιτήδεια καναδική εταιρεία πληροφορικών συστημάτων, η D-Wave Systems, βρήκε την ευκαιρία να πλασάρει τον πρώτο δήθεν «κβαντικό» υπολογιστή που διαθέτει έναν επεξεργαστή 128 q-μπιτ και στοιχίζει περίπου 10 εκατομμύρια δολάρια!
……………………………………………………………………………….

Το επόμενο κβαντικό υπολογιστικό άλμα

Αραγε, αυτές οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις οδηγούν, στο άμεσο μέλλον, αναπόδραστα στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι κάθε άλλο παρά προφανής. Παρά τις τεράστιες προόδους που έχουν ήδη συντελεστεί προς αυτή την κατεύθυνση, πρέπει ακόμη να λάβουν χώρα αρκετές βασικές τεχνολογικές ανακαλύψεις. Η βασικότερη, όμως, προϋπόθεση είναι η σε βάθος κατανόηση και η ουσιαστική αποδοχή της ανοίκειας κβαντικής λογικής.
Οπως ήδη είπαμε, λόγω της «κβαντικής σύμπλεξης», τα μικροσωματίδια μπορούν να αλληλεπιδρούν και να ανταλλάσσουν πληροφορίες για την κατάστασή τους μέσα από άγνωστες σήμερα διόδους επικοινωνίας, να αλληλοεπηρεάζονται παρά τις τεράστιες αποστάσεις που τα χωρίζουν, μπορούν ακόμη και να τηλεμεταφέρονται από το ένα σημείο του χώρου στο άλλο. Επιπλέον, εξαιτίας της κβαντικής «υπέρθεσης» και της «μη τοπικότητας» κάθε μικροσωματίδιο μπορεί να βρίσκεται, ταυτοχρόνως, σε περισσότερες από μία θέσεις ή καταστάσεις.
Αξιοπερίεργα φυσικά φαινόμενα που, ωστόσο, καθόλου δεν εξαντλούν την επιρροή τους στον υποατομικό μικρόκοσμο, αλλά, απ’ ό,τι φαίνεται, παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση της συμπεριφοράς και πολλών μακροσκοπικών δομών. Η κβαντική υπολογιστική βασίζεται σε αυτά ακριβώς τα αλλόκοτα φαινόμενα που φαίνεται να παραβιάζουν, ή έστω να παρακάμπτουν, τις «κλασικές» έννοιες του χώρου και του χρόνου ή την πιο σύγχρονη εκδοχή τους, τη σχετικιστική έννοια του χωρόχρονου.
Ισως γι’ αυτό τα τελευταία χρόνια όλο και περισσότεροι διαπρεπείς κβαντικοί φυσικοί επιχειρούν να κατανοήσουν τις περίπλοκες δομές και συμπεριφορές του μακρόκοσμου με τα πανίσχυρα εργαλεία που τους παρέχει η κβαντική περιγραφή του μικρόκοσμου.
Σήμερα, μάλιστα, πολλοί από αυτούς αποτολμούν ένα επιπλέον γνωστικό άλμα: καταφεύγοντας στην κβαντική επεξεργασία της πληροφορίας ελπίζουν ότι σύντομα θα κατανοήσουν τις μικροφυσικές, δηλαδή τις κβαντικές, προϋποθέσεις ακόμη πιο πολύπλοκων μακροσκοπικών συστημάτων, όπως είναι π.χ. ο ανθρώπινος εγκέφαλος που επινοεί και κατασκευάζει τις νέες κβαντικές υπολογιστικές μηχανές.

Πηγή: Η εφημερίδα των Συντακτών του Σ. Μανουσέλη