Τι είναι ο κβαντικός υπολογιστής και πώς θα αλλάξει την καθημερινότητά μας

Δεν θα τον βρείτε πάνω στο γραφείο σας και σίγουρα δεν θα χωρέσει ποτέ στην τσέπη σας. Σήμερα είναι μάλιστα όσο πιο εύθραυστος παίρνει, καθώς πρέπει να κρατείται σε θερμοκρασίες ιδιαιτέρως κοντά στο απόλυτο μηδέν. Κβαντικό υπολογιστή τον λένε και δεν μοιάζει σε τίποτα στο παραδοσιακό PC που όλοι γνωρίζουμε. Είναι κάτι ολότελα καινούριο που μέχρι πρόσφατα χρειαζόσουν τουλάχιστον ένα διδακτορικό στη φυσική για να κατανοήσεις τη λειτουργία του. Αυτό που κάνει είναι να εκτελεί υπολογισμούς τόσο περίπλοκους που όπως μας λέει πράγματι ένας καθηγητής φυσικής, είναι σαν να περνάς από την ασπρόμαυρη τηλεόραση στις σύγχρονες LED TV. Πιθανότατα κάπου έχετε ακούσει γι’ αυτόν, μιας και τον κβαντικό υπολογιστή τον συνοδεύουν συνήθως μεγαλόστομοι τίτλοι τύπου ο υπολογιστής που «θα αλλάξει τον κόσμο», «θα ανοίξει άλλες διαστάσεις» και τέτοια υπέροχα πράγματα. Και ενδεχομένως θα το κάνει, αν και όχι με τον γραμμικό τρόπο που έχουμε συνηθίσει να προοδεύει η σύγχρονη τεχνολογία. Περίφημα πανεπιστήμια παρουσιάζουν ήδη τα πρωτότυπα κβαντικά μικροτσίπ τους ή μας μιλάνε για δυσνόητες κβαντικές οντότητες που μορφοποιούνται σε σιλικόνη. Τι είναι όμως αυτός ο περιβόητος κβαντικός υπολογιστής με δυο λόγια; Πώς δουλεύει; Τι μαγικό κάνει και όλοι ψάχνουν πώς να τον κάνουν εμπορικά βιώσιμο; Και, κυρίως, γιατί πρέπει να μας απασχολεί;

Παρά τις μεγαλόστομες διακηρύξεις, για την ώρα ο κβαντικός υπολογιστής δεν είναι παρά στα σπάργανα. Όπως ήταν, ας πούμε, ο παραδοσιακός ηλεκτρονικός υπολογιστής στη δεκαετία του 1950, όταν κάλυπτε ολόκληρα δωμάτια και για τον πολύ κόσμο ήταν κάτι εξόχως άγνωστο και ακατανόητο. Μόνο που αυτός μπορεί πράγματι να φέρει μια επανάσταση στον κόσμο μας από αυτές που λογίζονται κατακλυσμιαίες. Μπορεί, μιας και για την ώρα είναι στην καλύτερη περίπτωση ένα εν εξελίξει επιστημονικό στοίχημα. Για να κατανοήσει κανείς τι στο καλό είναι αυτό το πράγμα, πρέπει να αποσαφηνιστούν μερικές απλές έννοιες της κβαντικής μηχανικής. Κι αν αυτό ακούγεται αποθαρρυντικό, δεν πρέπει να είναι, μιας και οι αρχές της κβαντομηχανικής κυβερνούν την ίδια τη φύση των σωματιδίων που απαρτίζουν το Σύμπαν, αλλά και κάθε ηλεκτρονικής συσκευής. Μια τέτοια έννοια, για παράδειγμα, είναι αυτό το πράγμα που η κβαντομηχανική μας λέει πως είναι ταυτοχρόνως… δύο πράγματα! Στη διαισθητική μας εμπειρία, ένα πράγμα είναι πάντα ένα πράγμα. Ένα κέρμα, ας πούμε, μπορεί να είναι κορώνα ή γράμματα, στο σύμπαν της κβαντομηχανικής όμως όλα είναι ρευστά. Μέχρι να προσγειωθεί στο χέρι μας λοιπόν και να δούμε με τα μάτια μας τι έχει συμβεί, μπορεί να είναι και κορώνα και γράμματα. Κορώνα και γράμματα την ίδια στιγμή. Κβαντομηχανικά μιλώντας, ξέρουμε πάντως κάτι για το κέρμα, πως υπάρχει πιθανότητα να έρθει είτε κορώνα είτε γράμματα. Έτσι δουλεύει το ενδεχομενικό σύμπαν της κβαντικής φυσικής, με πιθανότητες. Δεν είναι λοιπόν ούτε κορώνα ούτε γράμματα, αλλά πιθανότητα 20% κορώνα και 80% γράμματα, για παράδειγμα. Πώς μπορεί όμως ένα φυσικό αντικείμενο να είναι κάτι τέτοιο; Και πώς μπορούμε τελικά να το περιγράψουμε αν δεν είναι τίποτα ή πολλά πράγματα ταυτοχρόνως; Αυτός είναι ένας από τους πιο επίμονους πονοκεφάλους της κβαντομηχανικής, ότι για κάποιον λόγο σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια εμφανίζονται να λειτουργούν ως κύματα και τα φωτεινά κύματα ως δέσμες σωματιδίων. Κι αυτό γιατί η στιγμιαία κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος αποδίδεται μέσω μετρήσεων των πιθανοτήτων των παρατηρήσιμων ιδιοτήτων του, όπως η ενέργεια ή η θέση του. Έννοιες αρκετές τρομακτικές στον μη μυημένο στον κόσμο της φυσικής, καμιά αμφιβολία, απαραίτητες ωστόσο για να κατανοήσουμε το καινούριο που ευαγγελίζεται ο κβαντικός υπολογιστής. Στο ρευστό αυτό σύμπαν της επιστήμης λοιπόν, μαθηματικές εξισώσεις επιστρατεύονται για να υπολογίσουν τις ελέγξιμες ιδιότητες ενός πράγματος, μόνο που η κβαντομηχανική δεν μας λέει ποιες ακριβώς ιδιότητες ελέγχεις. Γιατί οι εξισώσεις υπολογίζουν τις πιθανότητες κάποιων από τις ιδιότητες του σωματιδίου. Και μιας και μιλάμε για ανώτερα μαθηματικά, η κβαντομηχανική δεν θα υπολογίσει απλώς την πιθανότητα να έρθει κορώνα ή γράμματα ένα περιστρεφόμενο κέρμα, αλλά θα περιγράψει και την πιθανότητα της περιστροφής του ίδιου του κέρματος. Πόσες φορές, ας πούμε, το κέρμα ήταν στην περιστροφή του και κορώνα και γράμματα ή τι γίνεται με τον (κβαντικό) εναγκαλισμό; Αφήνοντας κατά μέρος ιδιοτιμές, κυματοσυναρτήσεις, υπερθέσεις, διεμπλοκές καταστάσεων και άλλα τέτοια υπέροχα, αυτά είναι τα τρελά πράγματα που εκμεταλλεύεται ένας κβαντικός υπολογιστής για να καταλήξει σε ένα ολότελα καινούριο είδος αλγορίθμων. Τι δεν καταλάβατε; «Υπό μία έννοια, κάνουμε συνεχώς το ίδιο πράγμα εδώ και 60 χρόνια. Οι κανόνες που χρησιμοποιούμε για να υπολογίζουμε δεν έχουν αλλάξει, έχουμε κολλήσει στα bits και τα bytes και τις λογικές συνεπαγωγές», λέει ο Martin Laforest, επικεφαλής επιστήμονας του τμήματος Κβαντικής Υπολογιστικής του καναδικού University of Waterloo. Αυτό ακριβώς αλλάζει το νέο κομπιούτερ: «Οι κβαντικοί υπολογιστές αλλάζουν τους κανόνες των υπολογιστών στα κεφάλια τους». Οι σημερινοί υπολογιστές κάνουν τους υπολογισμούς τους με bits, τα οποία αποθηκεύονται ως ηλεκτρικά φορτία σε κυκλώματα και επεξεργαστές. Όπως ξέρουμε, ένα bit έχει μόλις δύο επιλογές, που αντιπροσωπεύονται από αυτά τα «1» και «0». Όλοι οι υπολογιστές στηρίζονται στη βασική αυτή λειτουργία των συσχετισμών των bits. Έχετε δει προγράμματα που γράφουν, ας πούμε, «αν αυτό το bit είναι 0 και το άλλο bit είναι 1, τότε κάνε το τρίτο bit 1, αλλιώς κάνε το 0». Η βασική μονάδα του κβαντικού υπολογιστή είναι το qubit, συντόμευση του κβαντικού bit (quantum bit), που είναι σαν το κανονικό bit δηλαδή μόνο που -όπως μαντεύετε πια- είναι ταυτοχρόνως και 0 και 1 (πριν να το κοιτάξουμε, πάντα!). Είναι σαν το προηγούμενο κέρμα μας που περιστρέφεται στον αέρα. Υπό αυτή την έννοια, ο κβαντικός υπολογιστής είναι σαν να ρίχνεις ταυτοχρόνως στον αέρα πολλαπλά κέρματα, τα οποία υπόκεινται στους τρελούς κανόνες της κβαντομηχανικής (κβάντωση, δυισμός, εναγκαλισμός κ.ο.κ.). Και λειτουργεί φυσικά με πιθανότητες, υπολογίζει δηλαδή την κβαντομηχανική πιθανότητα του τι θα είναι το qubit τη στιγμή που θα το παρατηρήσουμε. Γιατί τη στιγμή που θα δούμε το μυστηριώδες αυτό qubit, παύει να είναι μυστηριώδες και αποκτά τις ιδιότητες του παραδοσιακού bit.

Οι υπολογισμοί του κβαντικού υπολογιστή, και εδώ αρχίζουν τα ακόμα πιο ωραία(!), γίνονται λοιπόν προετοιμάζοντας τα qubits (σαν να προσθέτεις βάρος στη μία πλευρά του κέρματος πριν την περιστροφή για να χειραγωγήσεις το αποτέλεσμα) και βάζοντάς τα μετά να αλληλεπιδράσουν (σαν να περιστρέφεις στον αέρα μερικά κέρματα δεμένα μαζί), μετρώντας στο τέλος το αποτέλεσμα. Και επειδή το αποτέλεσμα το βλέπεις, είναι σαν να σταματούν αυτόματα τα κέρματα να περιστρέφονται και να παράγουν τις τελικές τιμές τους. Αν όλα γίνουν σωστά, τότε θα πάρεις την καλύτερη απάντηση στην ερώτηση που έκανες στον κβαντικό υπολογιστή. Είναι πράγματι τόσο ιδιαίτερη η κβαντική πληροφορική που δύσκολα γίνεται κατανοητή σε όσους δεν έχουν τριφτεί με τις βασικές έννοιες της κβαντομηχανικής και της σωματιδιακής φυσικής. Αρκεί πάντως για τη συζήτησή μας να πούμε ότι ο κβαντικός υπολογιστής, μέσω ανώτερων μαθηματικών, υπολογίζει ειδικές εκδοχές πιθανοτήτων. Στο παράδειγμά μας με το κέρμα, όχι απλώς την πιθανότητα του κορώνα-γράμματα, αλλά και το πώς περιστρέφεται το νόμισμα. «Η ιδέα πίσω από τον κβαντικό υπολογιστή είναι πως παίρνεις τα φαινόμενα της κβαντομηχανικής και τα εκμεταλλεύεσαι σε μεγάλες κλίμακες», εξηγεί ο θεωρητικός πληροφορικός του Πανεπιστημίου του Τέξας, Scott Aaronson, «η ιδέα είναι η χορογραφία ενός μοτίβου αλληλεπίδρασης» ώστε να αλληλοεξουδετερωθούν όλα τα άλλα και να απομείνει μόνο η απάντηση που ψάχνεις… Ήταν ο κορυφαίος φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν αυτός που ονειρεύτηκε το πάντρεμα φυσικής και πληροφορικής το 1982, θέλοντας να χρησιμοποιήσει την κβαντομηχανική για να λύσει ορισμένου τύπου προβλήματα. Ήταν ωστόσο σαν να έχει μια μελωδία στο μυαλό του αλλά όχι και όργανο για να τη φέρει στη ζωή. Μόνο όταν οι μαθηματικοί άρχισαν να σκαρώνουν αλγόριθμους που μπορούσαν να υπολογίσουν τέτοιες πιθανότητες μπόρεσε να οραματιστεί η επιστήμη έναν υπολογιστή που θα δούλευε με τις αρχές της κβαντομηχανικής. Σήμερα υπάρχουν αρκετά μέρη στον κόσμο που πειραματίζεται η επιστήμη με το πώς μπορεί να λύσει ο κβαντικός υπολογιστής προβλήματα με τρόπο καλύτερο από το παραδοσιακό PC. Το πλέον προφανές είναι ότι ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να δουλέψει αριστουργηματικά με τα ίδια τα προβλήματα που μελετά η κβαντομηχανική, όπως τα άτομα και τα μόρια. Τα qubits είναι ιδανικά για να λειτουργήσουν ως μοντέλα ατόμων αλλά και των συσχετισμών τους. Πράγματα που δεν είναι απλώς στη σφαίρα της θεωρητικής επιστήμης, καθώς τα πρακτικά εξαγόμενα μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τη φαρμακοβιομηχανία για ακόμα αποδοτικότερα σκευάσματα ή από τη βαριά βιομηχανία ώστε να φτιαχτούν υλικά με καλύτερες ιδιότητες. Και το σπουδαιότερο, πως όλα αυτά μπορούν να γίνουν πριν καν πατήσεις το πόδι σου στο εργαστήριο. Και με τον κβαντικό υπολογιστή, όλα αυτά γίνονται απείρως γρηγορότερα. Όπως μας εξηγεί ο Robert Sutor, αντιπρόεδρος του Cognitive, Blockchain and Quantum Solutions της IBM, μιας εταιρίας που εργάζεται πυρετωδώς πάνω στον κβαντικό υπολογιστή, έχουν ήδη καταφέρει να απεικονίσουν την πλήρη συμπεριφορά ενός μορίου καφεΐνης χρησιμοποιώντας απλώς 160 qubits. Αν το έκαναν αυτό με έναν παραδοσιακό υπολογιστή (που δεν γινόταν με τίποτα δηλαδή), τότε για μια τόσο λεπτομερειακή χαρτογράφηση θα χρειάζονταν τόσα bits όσα και τα άτομα που υπάρχουν στον πλανήτη Γη (από 10 στην 49η ως 10 στην 50ή)! Η IBM έχει ήδη καταφέρει σπουδαίους επιστημονικούς άθλους στην απεικόνιση συμπεριφορικών μοτίβων ατόμων και μορίων με τον κβαντικό υπολογιστή της. Πόση επεξεργαστική δύναμη έχει; Μόλις έξι qubits! Αλλά και οι επιστήμονες του Lawrence Berkeley National Laboratory ανέλυσαν πλήρως όλες τις καταστάσεις του μορίου υδρογόνου με τον δικό τους κβαντικό υπολογιστή των 2 qubits. Σε τέτοια πράγματα επιστρατεύεται για την ώρα ο κβαντικός υπολογιστής, προσφέροντας ταχύτητες επεξεργασίας δεδομένων που το κλασικό κομπιούτερ ούτε να ονειρευτεί μπορεί. Αλλά και στους αλγόριθμους και την τεχνητή νοημοσύνη αρχίζουν να χρησιμοποιούνται, όπως και στην κρυπτογράφηση, καθώς προσφέρουν απείρως περισσότερες και καλύτερες λύσεις ακόμα και σε απλά προβλήματα του κόσμου μας, τύπου «βρες τη γρηγορότερη διαδρομή μεταξύ αυτών των δύο σημείων του χάρτη που χωρίζονται από αρκετά ποτάμια και πολλές γέφυρες». Η πληροφορική χρειάστηκε τρανζίστορ, μικρά ηλεκτρικά κυκλώματα, για να αποθηκεύσει τα bits και να φτιάξει τους πρώτους υπολογιστές τελικά. Αντιστοίχως, χρειάζεται επίσης hardware για να αποθηκεύσεις ένα quantum bit, αν και τα πράγματα είναι εδώ κομματάκι πιο περίπλοκα, καθώς πρέπει να βρεις τρόπο να αναπαραστήσεις ένα κβαντικό σύστημα έτσι ώστε να μπορεί να το ελέγξει ο άνθρωπος. Αυτό γίνεται για την ώρα με άτομα που εγκλωβίζονται σε λέιζερ, φωτόνια και μερικά ακόμα προηγμένα συστήματα. Η έρευνα καλπάζει, προς το παρόν πάντως τα συστήματα του κβαντικού υπολογιστή που έχουν παρουσιαστεί βασίζονται σε υπεραγωγούς (superconductors), που μοιάζουν με μικροτσίπ, μόνο που χρειάζονται ψυγεία στο μέγεθος δωματίου για να κρατηθούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. «Αυτά τα υπεραγώγιμα qubits παραμένουν κβάντα για ένα μακρό διάστημα εκτελώντας ταυτοχρόνως υπολογισμούς κβαντικής πληροφορικής», μας λέει ο Irfan Sidiqqi του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια. Και μας λέει επίσης πως αυτό κάνουν και τα άλλα συστήματα, μόνο που οι υπεραγωγοί είναι για την ώρα γρηγορότεροι. Ο μεγαλύτερος κβαντικός υπολογιστής λειτουργεί για την ώρα με λιγότερα από 20 qubits, με εξαίρεση το περιβόητο D-Wave Computer (της καναδικής D-Wave Systems), που λειτουργεί σε ένα πειραματικό μέγεθος 2.000 qubits. Προς το παρόν αρκεί να πούμε πως οι υπολογισμοί με qubits αποδεικνύονται πραγματικός πονοκέφαλος, καθώς ο κβαντικός υπολογιστής δεν διαθέτει τις δομές ελέγχου και διόρθωσης σφαλμάτων των κλασικών υπολογιστών. Αυτό το χαρακτηριστικό περιορίζει για την ώρα τη γενίκευση της τεχνολογίας των κβαντικών υπολογιστών, καθώς χρειάζονται κυριολεκτικά χιλιάδες qubits για να περιορίσουν τα υπολογιστικά λάθη. Κοντεύουμε πάντως να το λύσουμε κι αυτό. «Ένας κβαντικός υπολογιστής θα έχει πάντα λάθη», εξομολογείται η Debbie Leung του Institute for Quantum Computing του καναδικού University of Waterloo, «έχουμε σημειώσει πάντως αρκετή πρόοδο που θα ήταν αδιανόητη δύο χρόνια πρωτύτερα». Η απεικόνιση των μορίων δεν χρειάζεται και τόσο μεγάλα επίπεδα ακρίβειας, γι’ αυτό και έχουν επιστρατευτεί εκεί οι κβαντικοί υπολογιστές. Και με ελάχιστα μάλιστα qubits παίρνουν πρωτόγνωρα ακριβή δεδομένα… Όλοι μα όλοι! Από πανεπιστήμια και ερευνητικά ιδρύματα μέχρι εταιρίες όπως η IBM, η Google, η Microsoft και η Intel, όλοι εργάζονται με κβαντικούς υπολογιστές μικρότερους των 20 qubits. Η IBM κατάφερε πρόσφατα να φτάσει στα 56 qubits, κάτι που χρειάστηκε 4,5 terabytes μνήμης σε έναν κλασικό υπολογιστή. Όλοι εργάζονται με υπεραγωγούς και ο καθένας ακολουθεί μάλιστα τη δική του προσέγγιση, καθώς σταθμισμένα πρότυπα δεν μπορούν να υπάρξουν σε μια τεχνολογία στα σπάργανα. Η IBM φαίνεται να κρατά τα ηνία και σκοπεύει μάλιστα μακροπρόθεσμα να σκαρώσει έναν κβαντικό υπολογιστή γενικής χρήσης που θα επικοινωνεί με τους παραδοσιακούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Πρόοδο έχουν σημειώσει όμως οι πάντες και τόσο η Intel όσο και η Google το έχουν πάρει σοβαρά το θέμα, με τις φήμες να δίνουν και να παίρνουν πως έχουν αγγίξει τα 49-50 qubits. Όλοι μάλιστα ομολογούν πως θα πρέπει να περιμένουμε μέχρι το 2020-2021 για να δούμε τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές της νέας τεχνολογίας για τους χρήστες. Χρήστες θα είναι βέβαια εταιρίες και επιστημονικά ιδρύματα.

Αυτόνομη πορεία τραβά η αμφιλεγόμενη D-wave, η οποία την ώρα που οι άλλοι παλεύουν να φτάσουν στις μερικές δεκάδες qubits, εκείνη ανακοίνωσε πως ο δικός της κβαντικός υπολογιστής έχει αγγίξει τα 2.000. Και είναι κατά 100 εκατ. φορές γρηγορότερος από ένα κλασικό PC! Το μηχάνημά της δουλεύει ωστόσο ολότελα διαφορετικά και μένει να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητά του επί του πρακτέου. Για την ώρα, απέχουμε πολύ πριν δούμε τη διακριτική αυτή επανάσταση στον πραγματικό κόσμο γύρω μας. Και εδώ συμφωνούν όλοι. Υπάρχουν άπειρα εμπόδια που πρέπει να υπερπηδηθούν και το υπολογιστικό λάθος που ελλοχεύει κουτσουρεύει προς το παρόν τις προσπάθειες. Αν πρέπει να το πούμε, όχι, δεν μπορείτε να έχετε έναν κβαντικό υπολογιστή στο σπίτι σας και πιθανότατα δεν θα μπορέσετε ποτέ. Αν λυθούν τα θέματά του, θα χρησιμοποιηθεί σε επιστημονικές και βιομηχανικές εφαρμογές, ως εκεί όμως. Όπως εξομολογούνται μάλιστα μια σειρά από τους κορυφαίους επιστήμονες που ασχολούνται με τον τομέα, για την ώρα δεν είμαστε καν σίγουροι πως είναι καλύτερος από το κλασικό PC! Για την ώρα τουλάχιστον…