Το μυστήριο του κβαντικού υπολογιστή

Απ’ ό,τι φαίνεται, η είσοδος στην εποχή της κβαντικής υπολογιστικής επανάστασης έχει ήδη ξεκινήσει και αναμένεται να είναι εξίσου συναρπαστική και ανατρεπτική με εκείνη του περάσματος από τη συμβατική στην ψηφιακή τεχνολογία.
Γεγονός που επιβεβαιώνεται και από την πρόσφατη αλλά αμφιλεγόμενη είδηση για τη δημιουργία του πρώτου κβαντικού επεξεργαστή. Ο ανταγωνισμός για την κυριαρχία στην κβαντική τεχνολογία οδηγεί προς τον «θαυμαστό καινούργιο κόσμο» του τεχνολογικού μας μέλλοντος, που αποτελεί ήδη παρόν.
Σύμφωνα με μια περίεργη είδηση που δημοσιεύτηκε πολύ πρόσφατα, στις 20 Σεπτεμβρίου, στην επιστημονική στήλη της εφημερίδας «Financial Times», οι ερευνητές στα εργαστήρια της Google υπό τη διεύθυνση του φυσικού John Martinis διατείνονται ότι κατάφεραν να υλοποιήσουν το άπιαστο -μέχρι χθες- τεχνολογικό όνειρο της «κβαντικής υπεροχής»: την κατασκευή δηλαδή ενός υπολογιστή που θα διαθέτει έναν κβαντικό επεξεργαστή, η αρχιτεκτονική και η λειτουργία του οποίου βασίζονται στις αρχές της κβαντικής φυσικής. Μια επιστημονική είδηση που, αν επιβεβαιωθεί, θα καθιστούσε αναπόφευκτα τους σημερινούς υπερ-υπολογιστές τεχνολογικά και λειτουργικά ξεπερασμένους.
Η είδηση αυτή είναι πολύ περίεργη επειδή η σχετική ανακοίνωση των ερευνητών της Google, ενώ έγινε στην έγκυρη ιστοσελίδα της NASA («Nasa Technical Report Server»), μετά από μερικές ώρες αποσύρθηκε.
Χωρίς καμία περαιτέρω εξήγηση και χωρίς καμία μέχρι στιγμής επίσημη επιβεβαίωση ή διάψευση της είδησης από την Google. Πρόκειται, άραγε, για αθέμιτο και κακόγουστο μάρκετινγκ της συγκεκριμένης εταιρείας ή για την εξαγγελία της επόμενης τεχνολογικής επανάστασης στο πεδίο των υπολογιστών;

Μήπως έχουμε εισέλθει ήδη στην κβαντική εποχή της υπολογιστικής τεχνολογίας;
Αν επαληθευτεί η είδηση ότι οι ερευνητές του εργαστηρίου της Google κατάφεραν όντως να δημιουργήσουν τον πρώτο λειτουργικό κβαντικό επεξεργαστή, τότε πρόκειται αναμφίβολα για μια μεγάλη τεχνολογική επανάσταση. Κι αυτό γιατί ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε, θεωρητικά, να επεξεργάζεται και να εκτελεί με απίστευτη ταχύτητα υπολογισμούς που κανένας από τους υπάρχοντες σήμερα ψηφιακούς υπολογιστές -όσο ισχυρός κι αν είναι- δεν θα μπορούσε να εκτελέσει σε αντίστοιχο χρόνο.

Η επίτευξη αυτού του στόχου θα ήταν μια τεχνοεπιστημονική καινοτομία ανάλογη με αυτήν της εισαγωγής των πρώτων ψηφιακών υπολογιστών στη ζωή των ανθρώπων. Κάποιοι, μάλιστα, ισχυρίζονται ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα επιφέρουν πολύ δραματικότερες αλλαγές στη ζωή όλων μας.
Πάντως, σύμφωνα με το αμφιλεγόμενο δημοσίευμα, ένα άρθρο που αναρτήθηκε και σχεδόν αμέσως αποσύρθηκε από την ιστοσελίδα της NASA, ο συγκεκριμένος κβαντικός υπολογιστής κατάφερε να επιλύσει ένα δυσκολότατο τεστ εκτελώντας έναν τόσο περίπλοκο υπολογισμό που η επίλυσή του από τον πιο ισχυρό ψηφιακό υπολογιστή που διαθέτουμε σήμερα θα απαιτούσε να εργάζεται αδιάκοπα επί 10 χιλιάδες χρόνια, ενώ για τον κβαντικό επεξεργαστή της Google αρκούν 3 λεπτά και 20 δευτερόλεπτα!
Πρόκειται για μια επιστημονική είδηση που, αν επιβεβαιωθεί, θα καθιστούσε, εκ των πραγμάτων, τεχνολογικά και λειτουργικά ξεπερασμένους όλους τους σημερινούς υπερ-υπολογιστές.
Εν αναμονή της επίσημης επιβεβαίωσης ή της διάψευσης αυτής της είδησης, έχει νομίζουμε κάποιο ενδιαφέρον να εξετάσουμε τις ασύλληπτες δυνατότητες που ανοίγει η τεχνολογική υλοποίηση του άπιαστου μέχρι σήμερα ονείρου της κβαντικής υπολογιστικής.

Από τα μπιτ στα κιούμπιτ
Για να συνειδητοποιήσει κανείς τις τεράστιες υπολογιστικές δυνατότητες ενός κβαντικού επεξεργαστή και τι ακριβώς είναι η λεγόμενη «κβαντική υπεροχή» (quantum supremacy) σε σύγκριση με τη σημερινή ψηφιακή τεχνολογία, αρκεί να αναλογιστεί ότι ο ισχυρότερος ψηφιακός υπολογιστής στον κόσμο, ο αμερικανικός Summit (που σημαίνει «Κορυφή»), έχει υπολογιστική ισχύ 148,6 petaflops, μπορεί δηλαδή να κάνει «μόνο» 148,6 τετράκις εκατομμύρια υπολογισμούς το δευτερόλεπτο και είναι απελπιστικά αργός σε σχέση με έναν κβαντικό υπολογιστή.
«Αυτή η δραματική επιτάχυνση, σε σχέση με όλους τους γνωστούς κλασικούς αλγόριθμους, αποτελεί την πειραματική υλοποίηση της κβαντικής υπεροχής στην υπολογιστική εργασία», όπως επισημαίνουν στο σχετικό άρθρο τους οι ερευνητές της Google και προσθέτουν πως «απ’ όσο γνωρίζουμε, αυτό το πείραμα αποτελεί τον πρώτο υπολογισμό που ολοκληρώθηκε επιτυχώς αποκλειστικά από έναν κβαντικό επεξεργαστή».
Το νέο υπολογιστικό πρότυπο κβαντικού επεξεργαστή βαφτίστηκε από τούς δημιουργούς του «Sycamore» και μολονότι φαίνεται πως διαθέτει εντυπωσιακή υπολογιστική ισχύ, οι ανταγωνιστές της Google αμφισβητούν τις πρακτικές εφαρμογές του.
«Είναι μόνο ένα εργαστηριακό πείραμα χωρίς πρακτικές εφαρμογές», δήλωσε ο Dario Gil, διευθυντής ερευνών της ανταγωνιστικής εταιρείας IBM, όταν διέρρευσε η είδηση για την επιτυχία της Google.
Σε έναν συμβατικό ψηφιακό υπολογιστή (που είναι κατά κανόνα ηλεκτρονικός), η στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας είναι το bit, ενώ σε έναν κβαντικό υπολογιστή το qubit. Η βασική αρχή της κβαντικής υπολογιστικής είναι το πειραματικά επιβεβαιωμένο γεγονός ότι οι κβαντομηχανικές ιδιότητες της ύλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαράσταση και τη δόμηση δεδομένων. Συνεπώς, ο απώτερος στόχος της είναι η επινόηση και η κατασκευή μηχανισμών που, στηριζόμενοι στην κβαντομηχανική, μπορούν να επεξεργάζονται αυτά τα δεδομένα.
Πράγματι, ως κβαντικός υπολογιστής ορίζεται κάθε μη ψηφιακό υπολογιστικό σύστημα που εκμεταλλεύεται τις χαρακτηριστικές ιδιότητες της κβαντομηχανικής, όπως π.χ. την αρχή της υπέρθεσης και της διεμπλοκής, ώστε να φέρει εις πέρας επιτυχώς την επεξεργασία πληροφοριών μέσω της εκτέλεσης σύνθετων υπολογισμών.
Το μυστικό της τεράστιας υπολογιστικής δύναμης των κβαντικών επεξεργαστών πρέπει να αναζητηθεί στο αινιγματικό φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής ή κβαντικού εναγκαλισμού (quantum entanglement): όταν δύο σωματίδια ή ομάδες σωματιδίων αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω της σύζευξης των κυματοσυναρτήσεών τους, με αποτέλεσμα να παραμένουν σε κατάσταση «διεμπλοκής», ανεξάρτητα από την απόσταση που τα χωρίζει. Έτσι, όταν συμβαίνει κάτι στο ένα σωματίδιο, το άλλο το αντιλαμβάνεται αμέσως και αντιδρά ακαριαία, ακόμη κι αν βρίσκεται στο άλλο άκρο του Σύμπαντος.
Όμως, ποια είναι η βασική διαφορά ενός ψηφιακού από έναν κβαντικό επεξεργαστή; Όλοι οι ψηφιακοί υπολογιστές αναπαριστούν, αποθηκεύουν και επεξεργάζονται τις πληροφορίες αποκλειστικά υπό τη μορφή μπιτ (bit), δυαδικών στοιχείων «0» και «1».
Αν λοιπόν σε κάθε συμβατικό ψηφιακό υπολογιστή η στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας είναι το bit, σε έναν κβαντικό υπολογιστή είναι το κβαντικό μπιτ ή κιούμπιτ (qubit), το οποίο μπορεί να παίρνει όλες τις δυνατές τιμές που υπάρχουν ανάμεσα στο 0 και το 1. Ενώ ένα μπιτ μπορεί να λαμβάνει μόνο δύο τιμές, να βρίσκεται δηλαδή σε μία μόνο από τις δύο καταστάσεις «1» ή «0», το κβαντικό μπιτ μπορεί χάρη στην ιδιότητα της «κβαντικής διεμπλοκής» να βρίσκεται σε κάθε δυνατή επαλληλία των δυο αυτών καταστάσεων και να λαμβάνει πολυάριθμες τιμές.
Συνεπώς, ένα qubit μπορεί να αναπαραστήσει τόσο τις δύο τιμές «1» και «0» όσο και οποιαδήποτε υπέρθεση αυτών των δύο: 2 qubits μπορούν να αναπαραστήσουν οποιαδήποτε υπέρθεση 4 δυνατών καταστάσεων, 3 qubits οποιαδήποτε υπέρθεση 8 καταστάσεων. Γενικά, ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να επεξεργάζεται την κατάσταση υπέρθεσης πολλών δυνατών καταστάσεων, ενώ ένας κλασικός ψηφιακός υπολογιστής μπορεί, κάθε στιγμή, να βρίσκεται σε μία μόνο από αυτές τις καταστάσεις!
Κάτι που, σύμφωνα με την κβαντική φυσική ισχύει και για όλα τα στοιχειώδη σωματίδια (π.χ. τα ηλεκτρόνια των ατόμων). Όπως αναφέραμε, η θεμελιακή παραδοχή της κβαντικής υπολογιστικής είναι ότι αυτές οι κβαντικές ιδιότητες της ύλης μπορούν να προσομοιωθούν από τον κατάλληλο επεξεργαστή για την αναπαράσταση και τη δόμηση όλων των πληροφοριών και των νέων δεδομένων. Και επομένως, το μόνο που χρειάζεται να γίνει είναι να κατασκευαστούν τα κατάλληλα κβαντικά τσιπάκια, η λειτουργία των οποίων θα είναι η επεξεργασία των πληροφοριών που θα βασίζεται στις επιβεβαιωμένες αρχές της κβαντομηχανικής.
Όμως, η υλοποίηση του ονείρου της κατασκευής κβαντικών υπολογιστών προσκρούει σε πολλά δυσεπίλυτα θεωρητικά και πρακτικά προβλήματα. Όπως π.χ. το γεγονός ότι όλα τα κβαντικά τσιπάκια, δηλαδή οι μικροεπεξεργαστές των κιούμπιτ, για να δουλεύουν καλά πρέπει να διατηρούνται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273o C).
Ένα επιπλέον εμπόδιο είναι ότι ο κβαντικός επεξεργαστής πρέπει να είναι εντελώς απομονωμένος από τον περιβάλλοντα χώρο, διαφορετικά οι υπολογισμοί που έχει προγραμματιστεί να εκτελεί επηρεάζονται από τον «θόρυβο» και μπορεί να είναι εντελώς λανθασμένοι. Πρόκειται για ακραίες καταστάσεις και γι’ αυτόν τον λόγο όλοι οι κβαντικοί επεξεργαστές που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα από την Google και την IBM είναι πολύ μικρών διαστάσεων.
Τέλος, ακόμη ένα εμπόδιο για την εκμετάλλευση της τεράστιας υπολογιστικής ισχύος των κβαντικών υπολογιστών είναι ότι αυτοί θα πρέπει να εργάζονται με διαφορετικούς και πολύ πιο περίπλοκους αλγόριθμους από αυτούς των ψηφιακών υπολογιστών.
Όμως στη δυνατότητα ταχύτατης επεξεργασίας και ολοκλήρωσης τέτοιων αλγόριθμων από τους μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές πρέπει να αποδοθεί το πολύ μεγάλο ενδιαφέρον των πιο ισχυρών εταιρειών και των κυβερνήσεων γι’ αυτή την άμεση τεχνολογική εξέλιξη, στην οποία και επενδύουν τεράστια ποσά.

Ο λυσσαλέος ανταγωνισμός για την κυριαρχία των qubits
Παρ’ όλες αυτές τις εγγενείς δυσκολίες, υπάρχει ήδη σφοδρότατος ανταγωνισμός τόσο μεταξύ των διεθνών εταιρειών στον χώρο της επικοινωνίας και της πληροφορικής όσο και μεταξύ των κρατών για το ποιος θα κυριαρχήσει σε αυτήν τη νέα τεχνολογία του αύριο. Και τα κίνητρά τους είναι πραγματικά πολλά: από το απόλυτα ελεγχόμενο κβαντικό διαδίκτυο και τις ασφαλείς κβαντικές επικοινωνίες του μέλλοντος μέχρι την κβαντική κρυπτογράφηση, που όλα δείχνουν πως θα είναι τεχνικά αδύνατο να παραβιαστεί από τους χάκερ και τις μυστικές υπηρεσίες των άλλων χωρών.
Πράγματι, το μελλοντικό κβαντικό διαδίκτυο σχεδιάζεται ήδη ώστε να περιλαμβάνει λίγους ελεγχόμενους «κόμβους» από πιο απλούς κβαντικούς επεξεργαστές, οι οποίοι θα συνδέονται με όλους τους μεμονωμένους ψηφιακούς υπολογιστές, δημιουργώντας έτσι ολότελα νέες διαδικτυακές υπηρεσίες και πολύ πιο ασφαλή επικοινωνία.
Ο αντίλογος βέβαια σε αυτό το νέο τεχνολογικό θαύμα είναι ότι υπάρχει σοβαρότατος κίνδυνος το κβαντικό διαδίκτυο να γίνει μια αποπνικτική, ιεραρχική και απόλυτα ελεγχόμενη διαδικτυακή Βαβέλ.
Οσο για την απαραβίαστη «κβαντική κρυπτογραφία», το άπιαστο όνειρο όλων των μυστικών υπηρεσιών, και αυτή στηρίζεται στην ανάπτυξη της κβαντικής υπολογιστικής. Πάντως, για την ώρα, δεν υπάρχουν κβαντικοί υπολογιστές με υπολογιστική ισχύ χιλιάδων κιούμπιτ, ώστε να είναι ικανοί για τέτοιες αποκρυπτογραφήσεις. Και η υποθετική κβαντική υπεροχή του κβαντικού υπολογιστή της Google, του «Sycamore», είναι πολύ μικρή για να γεννά τέτοιες ανησυχίες.
Προφανώς, όμως, όλα αυτά τα φουτουριστικά τεχνολογικά σενάρια αποτελούν ένα επαρκέστατο κίνητρο για τις σημερινές εταιρείες και τις τράπεζες όσο και για τις μυστικές υπηρεσίες, οι οποίες έχουν κάθε λόγο να ενδιαφέρονται για την ταχύτατη ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών, επειδή τους ενδιαφέρουν οι ασύλληπτες εφαρμογές τους.

Σπύρος Μανουσέλης – https://www.efsyn.gr/epistimi/mihanes-toy-noy/213482_mystirio-toy-kbantikoy-ypologisti