Τι είναι οι κβαντικοί υπολογιστές & ποιες οι δυνατότητες τους

Οι επιστήμονες εργάζονται ήδη για ένα μέλλον στο οποίο οι υπολογιστές θα λειτουργούν σε υποατομικό επίπεδο και θα είναι τόσο ισχυροί που θα αψηφούν την παρούσα λογική, υλοποιώντας εφαρμογές που δεν έχουμε ακόμη σκεφτεί.

Έχετε αναλογιστεί ποτέ ποιο θα είναι το μέλλον των υπολογιστών; Για πολλούς ερευνητές περιλαμβάνει νέου είδους, πολλά υποσχόμενα μηχανήματα που θα αψηφούν την τρέχουσα λογική: Θα είναι τόσο ισχυρά που θα λειτουργούν σε ταχύτητες εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες των σημερινών υπολογιστών, επιτρέποντας στους επιστήμονες να εκτελούν πολύπλοκα πειράματα και υπολογισμούς σε υποατομικό επίπεδο.

Τόσο ισχυρά, που θα μπορούν, για παράδειγμα, να δημιουργήσουν ψηφιακά μοντέλα για κάθε μία από τις 20.000 πρωτεΐνες που περιλαμβάνει το ανθρώπινο γονιδίωμα. Γιατί; Προκειμένου να προσομοιώσουν πώς υποθετικά φάρμακα θα μπορούσαν να θεραπεύσουν τα πάντα: από τον καρκίνο μέχρι το κοινό κρυολόγημα. Και να ανακαλύψουν εξατομικευμένες θεραπείες που δεν έχουμε ακόμη σκεφτεί, αψηφώντας τη λογική.

Μία επιστήμη που αψηφά τη λογική

«Μπορώ να πω με ασφάλεια ότι κανείς δεν καταλαβαίνει την κβαντική μηχανική» δήλωσε κάποτε ένας από τους σημαντικότερους θεωρητικούς φυσικούς, ο οποίος τιμήθηκε με Νόμπελ για τη δουλειά του στο εν λόγω πεδίο. Ο λόγος για τον Ρίτσαρντ Φάινμαν. Ωστόσο, μαζί του φαίνεται ότι συμφωνούσαν πολλοί ακόμη επιστήμονες που πρωτομελέτησαν το άτομο στις αρχές του 20^ου αιώνα, θέτοντας τις βάζεις για ένα επιστημονικό πεδίο που αψηφά τη λογική.

Διότι, όπως κατέδειξε η κβαντική μηχανική, τα άτομα και τα σωματίδια στα οποία υποδιαιρούνται, δεν ακολουθούν τους παραδοσιακούς κανόνες της φυσικής. Τα κβαντικά σωματίδια έχουν τη δυνατότητα να κινηθούν προς τα εμπρός ή προς τα πίσω στον χρόνο. Μπορούν να υφίστανται σε δύο μέρη ταυτόχρονα, ακόμη και να «τηλεμεταφερθούν». Αυτές τις μη λογικές–για τον φυσικό κόσμο– συμπεριφορές, αποφάσισαν να εκμεταλλευτούν οι επιστήμονες για την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών.

Στο πλαίσιο αυτό, οι κβαντικοί υπολογιστές, οι οποίοι συχνά γίνονται αντιληπτοί ως απλώς μεγαλύτερες και ταχύτερες εκδόσεις των κλασικών υπολογιστών, είναι στην πραγματικότητα κάτι εντελώς διαφορετικό. Πρόκειται για μηχανήματα που χρησιμοποιούν τις –μη λογικές– ιδιότητες της κβαντικής φυσικής για την αποθήκευση δεδομένων και την εκτέλεση σύνθετων υπολογισμών.

Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές

Η μνήμη ενός κλασικού ψηφιακού υπολογιστή –στους οποίους συγκαταλέγονται, μεταξύ άλλων, τα smartphone και τα tablet– αποτελείται από bit τα οποία μπορούν να αναπαραστήσουν την τιμή 1 ή 0.

Από την άλλη, οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται για τη λειτουργία τους υποατομικά σωματίδια, τα οποία βρίσκονται σε μία κατάσταση που ονομάζεται «υπέρθεση». Έτσι, την ίδια στιγμή μπορούν να αναπαραστήσουν την τιμή 1, 0 ή οποιαδήποτε υπέρθεση αυτών των 2, να έχουν δηλαδή τέσσερις τιμές ταυτόχρονα: 00, 01, 10 και 11. Τα σωματίδια αυτά ονομάζονται qubit και αποτελούν τη βάση της κβαντικής υπολογιστικής. Ακριβώς όπως η γάτα στο νοητικό πείραμα του Σρέντινγκερ μπορούσε να θεωρηθεί ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή όντας σε κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης, ένα qubit μπορεί να είναι ταυτόχρονα και 1 και 0.

Επιπρόσθετα, τα qubit μπορούν να είναι άρρηκτα συνδεδεμένα μεταξύ τους ως αποτέλεσμα ενός φαινομένου που ονομάζεται «κβαντική διεμπλοκή». Στην πράξη αυτό συνεπάγεται ότι μια σειρά από qubit μπορεί να αντιπροσωπεύει διαφορετικά πράγματα ταυτόχρονα. Ως αποτέλεσμα των ιδιοτήτων των κβάντα, οι κβαντικοί υπολογιστές δύνανται να εκτελέσουν παράλληλα πολυάριθμους υπολογισμούς, ενώ οι ψηφιακοί πρέπει να εκτελούν κάθε υπολογισμό ξεχωριστά.

Παραδείγματος χάρη, με οκτώ bit ένας κλασικός υπολογιστής μπορεί να αναπαραστήσει οποιονδήποτε αριθμό μεταξύ 0 και 255. Από την άλλη, με οκτώ qubit ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να αναπαραστήσει κάθε αριθμό μεταξύ 0 και 255 ταυτόχρονα. Κατά συνέπεια, μερικές εκατοντάδες «κβαντικά διεμπλεγμένα» qubit θα ήταν αρκετά για να αναπαραστήσουν περισσότερους αριθμούς από όσους μπορούμε να φανταστούμε ότι υπάρχουν στο σύμπαν.

Φανταστείτε δηλαδή τον πιο ισχυρό υπολογιστή που υπάρχει σήμερα και, στη συνέχεια, αναλογιστείτε ένα τρισεκατομμύριο πανομοιότυπα αντίγραφα, καθένα από τα οποία λειτουργεί σε παράλληλες διαστάσεις. Αυτή είναι η δύναμη των κβαντικών υπολογιστών: Χρησιμοποιούν τις αρχές των πιθανοτήτων προκειμένου να εκτελέσουν έναν αδιανόητο αριθμό εξισώσεων ταυτόχρονα.

Από τη θεωρία σε δοκιμαστική φάση

Προς το παρόν, υπάρχουν αρκετοί λειτουργικοί περιορισμοί έως ότου οι κβαντικοί υπολογιστές να κατακτήσουν τη δυναμικότητα που περιμένουν εναγωνίως οι επιστήμονες. Ωστόσο, φαίνεται ότι ο κβαντικός υπολογισμός, μετά από σαράντα χρόνια διερεύνησης, μετακινείται από τη θεωρία στη δοκιμαστική φάση, σύμφωνα με πρόσφατη έκθεση, η οποία αναλύει τις εν εξελίξει προσπάθειες ιδιωτικών εταιρειών, πανεπιστημίων και ερευνητικών εργαστηρίων.

Σε μια εποχή που είμαστε σε θέση να μεταφέρουμε μίνι υπερυπολογιστές στο τσεπάκι μας, ίσως στους περισσότερους από εμάς φαντάζει αδιάφορη η ανάγκη για μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ. Εντούτοις, οι ψηφιακοί υπολογιστές έχουν όρια στον τρόπο επίλυσης προβλημάτων, πλέον της ταχύτητας και της ισχύος. Τα όρια αυτά φιλοδοξούν να υπερβούν οι κβαντικοί υπολογιστές, δημιουργώντας νέα δεδομένα σε τομείς όπως η τεχνητή νοημοσύνη, η ανάπτυξη φαρμάκων και λιπασμάτων, η κρυπτογραφία και η κυβερνοασφάλεια, η πρόγνωση του καιρού και η εξέλιξη της κλιματικής αλλαγής, μεταξύ πολλών άλλων.

Εν τέλει, αυτό που υπόσχονται οι κβαντικοί υπολογιστές είναι γνώση σε άνευ προηγουμένου κλίμακα. Γνώσεις που ίσως σήμερα αψηφούν τη λογική αλλά όπως συνέβη και με τις προηγούμενες βιομηχανικές επαναστάσεις, εκτιμάται ότι θα δημιουργήσουν νέα δεδομένα για την ανθρωπότητα. Θα γεννήσουν και θα απαντήσουν νέα ερωτήματα και θα κάνουν πράξη θεωρίες που δεν έχουμε ακόμη σκεφτεί.