Πώς θα μας αλλάξουν τη ζωή οι κβαντικοί υπολογιστές (και πότε);

Φέρτε στο μυαλό σας τον πιο προηγμένο υπολογιστή που έχετε δει. Ε, καμία σχέση. Ο κβαντικός υπολογιστής θα γίνει ο πλέον εμβληματικός εκπρόσωπος μιας νέας γενιάς συστημάτων, ή ορθότερα το σύμβολο μιας τεχνολογικής επανάστασης που υπόσχεται να αλλάξει τον κόσμο. Δεν είναι ότι θα αντικαταστήσει τους υπολογιστές όπως τους γνωρίζουμε σήμερα. Απλώς θα τους κάνει να μοιάζουν όπως ένα κομπιουτεράκι δίπλα σε ένα σύγχρονο laptop.

Προφανώς δεν αναφερόμαστε σε αισθητικά κριτήρια, αλλά στις δυνατότητές των κβαντικών, οι οποίες θα υπερβαίνουν κατά πολύ τις αντίστοιχες των μηχανημάτων που χρησιμοποιούμε σήμερα.

Κατά πάρα πολύ. Ας πούμε ότι θα είναι 100 εκατομμύρια φορέςταχύτεροι από το γρηγορότερο laptop της αγοράς. Κι αυτό γιατί η λειτουργία τους θα βασίζεται σε κβαντομηχανικά φαινόμενα.

Μπερδευτήκατε; Με το δίκιο σας.

Για να είμαστε 100% ειλικρινείς, δεν ξέρουμε πώς μοιάζουν, πολύ απλά γιατί δεν έχει ακόμη κατασκευαστεί ο πρώτος.

Για να είμαστε 100% ακριβείς, έχει κατασκευαστεί, αλλά δεν ανταποκρίνεται 100% στην περιγραφή (και τις προσδοκίες) του κβαντικού υπολογιστή.

Το βέβαιο είναι πως, όταν υλοποιηθούν κβαντικοί υπολογιστές μεγάλης κλίμακας, δεν θα μοιάζουν με τους υπολογιστές που χρησιμοποιούμε σήμερα.

Η απάντηση δεν μπορεί να είναι μονολεκτική. Η επιστημονική κοινότητα προσπαθεί εδώ και τριάντα χρόνια να κατασκευάσει μια μηχανή που να βασίζεται στα κβαντικά φαινόμενα. Την τελευταία πενταετία μεγάλες εταιρείες πληροφορικής, ερευνητικά κέντρα και πανεπιστήμια ανά τον κόσμο εργάζονται πολύ εντατικά σε διάφορα σχετικά projects. Ορισμένα από αυτά έχουν παρουσιάσει υλοποιήσεις, οι οποίες όμως περισσότερο προετοιμάζουν το έδαφος και αναδεικνύουν τις δυνατότητες της κβαντικής υπολογιστικής.

Η ΙΒΜ, πρωτοπόρος της έρευνας και της ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών, παρουσιάζει με έναν εύληπτο τρόπο τις δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών. Για να το επιτύχει, προχωρά στην ευνόητη σύγκριση με τους “παραδοσιακούς” υπολογιστές και η μέθοδος είναι μια παραλλαγή του παιχνιδιού του παπά με την τράπουλα. Δοκιμάστε το εδώ και ανακαλύψτε πόσο ταχύτερα θα “μαντέψει” την επιλογή σας η προσομοίωση του κβαντικού υπολογιστή.

Προφανώς, δεν θα μαντεύουν μόνο τραπουλόχαρτα. Ο λόγος που πριν ακόμη το δούμε το έχουμε βαφτίσει «άγιο δισκοπότηρο» της σύγχρονης έρευνας, είναι οι δυνατότητές του. Δυνατότητες που συνοψίζονται σε μία μόνο λέξη: «αδιανόητες». Αν επιβεβαιωθούν οι προβλέψεις και οι μελέτες των εξειδικευμένων επιστημόνων, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να αλλάξουν τον κόσμο όπως τον γνωρίζουμε σήμερα. Ή τέλος πάντων όπως τον προσλαμβάνουμε. Θα μπορούν για παράδειγμα να εκτελέσουν υπολογισμούς και να ερευνήσουν με εκπληκτικές ταχύτητες αχανείς βάσεις δεδομένων, οι οποίες είναι εν πολλοίς απροσπέλαστες με τη σημερινή τεχνολογία. Ακόμη και από τους κορυφαίους υπερυπολογιστές.

Οι παραδοσιακοί υπολογιστές αποθηκεύουν πληροφορίες σε bits, τα οποία μπορούν να παίρνουν τις τιμές «0» ή «1». Η κβαντική υπολογιστική εκμεταλλεύεται τα κβαντικά σωματίδια, τα οποία περιστρέφονται ταυτόχρονα σε δύο κατευθύνσεις και βρίσκονται στην κατάσταση που ονομάζεται «υπέρθεση» και την ίδια στιγμή μπορούν να παίρνουν την τιμή «0» αλλά και την τιμή «1». Τα υποσωματίδια αυτά ονομάζονται qubits (quantum bit) και αποτελούν τη βάση της κβαντικής υπολογιστικής. Για να το εκλαϊκεύσουμε, θα λέγαμε ότι η παραδοσιακή υπολογιστική βλέποντας ένα νόμισμα αναγνωρίζει την επιλογή κορώνα ή γράμματα, ενώ στην κβαντική υπολογιστική το νόμισμα μπορεί να δείχνει 40% κορώνα και 60% γράμματα. Ή 22% κορώνα και 78% γράμματα. Μπερδευτήκατε ακόμη περισσότερο;

Παρακολουθήστε αυτό το βίντεο, που είναι η πιο δημοφιλής “εκλαϊκευμένη” προσέγγιση της έννοιας του qubit:

Το γεγονός ότι θα μπορούν να κάνουν υπολογισμούς σε πολύ υψηλές ταχύτητες, θα καθιστά τα κβαντικά συστήματα ικανά να σπάσουν οποιαδήποτε μορφή κωδικοποίησης, όσο εξελιγμένη κι αν είναι. Στο μέλλον λοιπόν τα passwords, με τη μορφή που τα χρησιμοποιούμε σήμερα, θα είναι πρακτικά άχρηστα.

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν επίσης να προβλέπουν τον καιρό μακροπρόθεσμα ή να προβλέπουν σεισμικές δονήσεις ή εκρήξεις ηφαιστείων, αναλύοντας τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Θα επιτρέπουν επίσης την αποθήκευση τεράστιου όγκου δεδομένων σε μέσα αποθήκευσης μηδαμινών διαστάσεων, την αναγνώριση μικροσκοπικών αντικειμένων και χαρακτηριστικών σε αεροφωτογραφίες ή λήψεις από δορυφόρο. Όπως είναι ευνόητο, η συμβολή τους στην έρευνα, τη θεωρητική και πειραματική φυσική, τη χημεία και τα μαθηματικά, τη βιοπληροφορική και άλλους τομείς θα είναι πρωτοφανής, αφού προβλήματα που έως σήμερα θεωρούνται άλυτα, θα μπορούν να επιλυθούν.

Σημαντική θεωρείται η αξιοποίησή τους και από τον ιατρικό κλάδο, καθώς θα είναι σε θέση να αναλύουν σε ελάχιστο χρόνο τεράστιους όγκους δεδομένων και να επιτρέπουν την εξατομικευμένη θεραπεία για κάθε ασθενή. Κάποιοι ισχυρίζονται ότι θα μπορούν να διαβάζουν το ανθρώπινο μυαλό. Ή να επιτρέπουν την τηλεμεταφορά.

Έως τότε βέβαια, η κβαντική πληροφορική θα προσφέρει λύσεις στους τομείς της εθνικής ασφάλειας, των logistics, της ασφάλειας του κυβερνοχώρου, ακόμη και στις χρηματοπιστωτικές συναλλαγές.

Επανερχόμαστε (για λίγο) στη θεωρία. Με τα δεδομένα που γνωρίζουν σήμερα οι επιστήμονες, προκειμένου ένας κβαντικός υπολογιστής να μπορεί να κάνει όσα υπόσχεται, πρέπει να ενσωματώνει τουλάχιστον 50 qubit. Έως τώρα δεν έχουν κατορθώσει να δημιουργήσουν λειτουργικούς υπολογιστές με περισσότερα από 20 qubit, τα οποία όμως δεν αρκούν για να επιδείξουν τις δυνατότητές τους.

Σύντομα. Στελέχη της IBM αποκάλυψαν πρόσφατα ότι μέσα στα επόμενα χρόνια η εταιρεία θα διαθέσει εμπορικά τα πρώτα μοντέλα της σειράς Q σε επιχειρήσεις και μεγάλους οργανισμούς. Δήλωσαν μάλιστα ότι η εταιρεία είναι έτοιμη όχι μόνο να παρουσιάσει ολοκληρωμένους κβαντικούς υπολογιστές, αλλά και να διαθέσει ένα πλήρες kit στους developers, προκειμένου να αναπτύξουν κβαντικό λογισμικό.

Προκειμένου μάλιστα να επιδείξουν και να αποδείξουν τις πρώιμες δυνατότητες του κλάδου, δίνουν ακόμη και στους απλούς χρήστες τη δυνατότητα να έρθουν σε επαφή με την κβαντική τεχνολογία.

Η Microsoft “παίζει τα ρέστα της”, επιλέγοντας μια εναλλακτική “ολιστική” προσέγγιση, που θα συνθέτει software και hardware, προκειμένου να κάνει τη
“μαγεία” πραγματικότητα σε λιγότερα από 10 χρόνια.

Εκτός από την IBM και τη Microsoft, στη φουτουριστική κούρσα τρέχει και η Google. Έχει μάλιστα επενδύσει αρκετά εκατομμύρια στο Quantum AI Laboratory, το οποίο στελεχώνεται με ακαδημαϊκούς και γνωστούς ερευνητές. Μεταξύ αυτών και ο ελληνικής καταγωγής Τζον Μαρτίνης, ο οποίος συνυπογράφει μια μελέτη που μόλις δημοσιεύτηκε στο Nature.

Σύμφωνα με τη μελέτη αυτή, το όραμα της υλοποίησης του κβαντικού υπολογιστή είναι πιο κοντά από ό,τι πιστεύουμε. Οι ερευνητές μάλιστα ισχυρίζονται ότι το πολύ σε πέντε χρόνια θα κυκλοφορούν «μικρές» συσκευές, που θα επιδεικνύουν τις δυνατότητες της τεχνολογίας.

Η Κίνα, όπως συνηθίζει τα τελευταία χρόνια, ακολουθεί κατά πόδας τις εξελίξεις. Ήδη η Alibaba συνεργάζεται με την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών και προετοιμάζει τη δική της κβαντική πρόταση.

Η πιο λειτουργική υλοποίηση μέχρι σήμερα έχει τη σφραγίδα μιας εν πολλοίς άγνωστης εταιρείας, της καναδικής D-Wave, η οποία έχει ήδη κατασκευάσει έναν κβαντικό υπολογιστή. Η υλοποίηση της D-Wave (ένα θηριώδες μαύρο κουτί) δοκιμάζεται την τελευταία τριετία από μια κοινοπραξία της NASA με τη Google, ενώ και άλλες εταιρείες όπως η Lockheed Martin (σε συνεργασία με το University of Southern California) έχουν επίσης σπεύσει να την τεστάρουν.

Οι δυνατότητες του κβαντικού υπολογιστή της D-Wave βέβαια απέχουν αρκετά από αυτές που περιγράψαμε, αλλά η αρχιτεκτονική και η φιλοσοφία του μπορούν να αποτελέσουν οδηγό για τις μελλοντικές υλοποιήσεις.

Αρκετά πανεπιστήμια ή ερευνητικοί οργανισμοί “τρέχουν” τα δικά τους πρότζεκτ. Το πιο φιλόδοξο είναι το πρόσφατα ανακοινωθέν σχέδιο του Πανεπιστημίου του Σάσεξ να κατασκευάσει τον πρώτο μεγάλης κλίμακας κβαντικό υπολογιστή, με μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου.

Ακόμη δεν τους είδαμε και τους κοστολογήσαμε, θα παραφράζαμε τη γνωστή παροιμία. Δεν τους κοστολογούμε βέβαια εμείς, αλλά οι αρμόδιοι αναλυτές, που θεωρούν ότι το κόστος των μεγάλης κλίμακας κβαντικών υπολογιστών –όταν κυκλοφορήσουν στο εμπόριο– θα υπερβαίνει κατά πολύ τα 15-20 εκατ. δολάρια (τόσο στοιχίζει η νέα υλοποίηση της D-Wave). Οι εκτιμήσεις αυτές βέβαια είναι αυθαίρετες, καθώς ουδείς γνωρίζει πότε και εάν θα κατασκευαστεί ο κβαντικός υπολογιστής.

Άγνωστο. Για να υπολογίσουμε μετά βεβαιότητας τις πιθανότητες δημιουργίας ενός κβαντικού υπολογιστή απαιτούνται τόσες διαφορετικές παράμετροι και δεδομένα, που θα έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε έναν κβαντικό υπολογιστή. Inception;

Παρά την αισιοδοξία της ακαδημαϊκής κοινότητας, της Google και της Microsoft, δεν είναι λίγοι όσοι θεωρούν μάλλον αδύνατη την υλοποίηση ενός μεγάλης κλίμακας μηχανήματος, τουλάχιστον στο κοντινό μέλλον. Οι λόγοι –κυρίως τεχνικής φύσης–είναι λίγο έως πολύ οι ίδιοι που έχουν αποτρέψει την υλοποίηση των project τα τελευταία 30 χρόνια.

Και βέβαια υπάρχουν και οι κίνδυνοι. Τι θα συνέβαινε για παράδειγμα αν ένα μηχάνημα με τέτοιες δυνατότητες έφτανε στα χέρια κάποιου κακόβουλου ή μίας τρομοκρατικής οργάνωσης; Ήδη εταιρείες όπως η Mitsubishi Electric και η Fujitsu αναπτύσσουν λογισμικό που θα προστατεύει τις ηλεκτρονικές συσκευές από παραβιάσεις και θα διασφαλίζει ότι η κρυπτογράφηση τους δεν θα “σπάσει” από κβαντικούς υπολογιστές.

Το πιθανότερο είναι να δούμε υβριδικά συστήματα, τα οποία θα αξιοποιούν τα qubits σε “παραδοσιακά” συστήματα για την επίλυση συγκεκριμένων προβλημάτων. Ή να δούμε τις κβαντικές λειτουργίες να προσομοιώνονται σε υπολογιστικά συστήματα. Η Hewlett Packard για παράδειγμα δοκιμάζει ήδη υβριδικά συστήματα στο πλαίσιο του μεγαλεπήβολου project The Machine.

Στο παρακάτω βίντεο συνοψίζονται οι ελπίδες (ενδεχομένως και οι ανομολόγητοι φόβοι) της ανθρωπότητας για το μέλλον της τεχνολογίας. Χωρίς να ακούγεται ούτε μια φορά η λέξη «κβαντικός».