Live τώρα    
21°C Αθήνα
ΑΘΗΝΑ
Ελαφρές νεφώσεις
21 °C
18.2°C21.8°C
2 BF 49%
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ
Αίθριος καιρός
19 °C
17.0°C20.3°C
2 BF 68%
ΠΑΤΡΑ
Αίθριος καιρός
17 °C
16.0°C16.6°C
4 BF 68%
ΗΡΑΚΛΕΙΟ
Ελαφρές νεφώσεις
19 °C
17.1°C19.1°C
5 BF 37%
ΛΑΡΙΣΑ
Αίθριος καιρός
17 °C
17.1°C17.1°C
2 BF 56%
Από τους κλασικούς στους κβαντικούς υπολογιστές
  • Μείωση μεγέθους γραμματοσειράς
  • Αύξηση μεγέθους γραμματοσειράς
Εκτύπωση

Από τους κλασικούς στους κβαντικούς υπολογιστές

Χωρίς αμφιβολία, ο σύγχρονος πολιτισμός έχει διαμορφωθεί καθοριστικά από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Από τις καθημερινές εργασίες μας στο σπίτι ώς την πιο εξειδικευμένη έρευνα για την κατανόηση του Σύμπαντος, βασιζόμαστε σε κάποιου είδους επεξεργαστή, δηλαδή μια συσκευή η οποία αποθηκεύει και επεξεργάζεται πληροφορίες τις οποίες αξιοποιεί ώστε να λειτουργεί σωστά. Τι περιορισμούς έχει όμως αυτή η τεχνολογία και πώς μπορούμε να τους ξεπεράσουμε; Η κυρίαρχη άποψη στις μέρες μας είναι ότι τα όρια της τεχνολογίας μας μπορούν να ξεπεραστούν με τη βοήθεια της Κβαντομηχανικής, του κλάδου της Φυσικής που περιγράφει τον «παράξενο» μικρόκοσμο.

Η Κβαντομηχανική ως πρόβλημα και ως λύση

Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές βασίζονται στην τεχνολογία του τρανζίστορ, το οποίο αποδίδεται στα ελληνικά ως κρυσταλλοτρίοδος και αποτελεί μία από τις σπουδαιότερες εφευρέσεις του περασμένου αιώνα. Η λειτουργία του τρανζίστορ, η οποία στηρίζεται στις ιδιότητες των ημιαγώγιμων υλικών, όπως το πυρίτιο, μπορεί να γίνει κατανοητή αν την παραλληλίσουμε με αυτή ενός διακόπτη. Με την εφαρμογή κατάλληλης ηλεκτρικής τάσης, το τρανζίστορ επιτρέπει ή όχι σε ηλεκτρικά σήματα (ηλεκτρόνια) να διέλθουν. Οι δύο αυτές δυνατές καταστάσεις στις οποίες βρίσκεται το τρανζίστορ (επιτρέποντας ή μη τη διέλευση ηλεκτρονίων) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κωδικοποιηθεί η πληροφορία. Η κωδικοποίηση γίνεται στο δυαδικό σύστημα, με τη χρήση των ψηφίων 0 και 1, των γνωστών bit. Με την κατάλληλη χρήση των τρανζίστορ σε κυκλώματα, μια σειρά από λογικές πράξεις μπορούν να εκτελέσουν τους υπολογισμούς που χρειάζονται ώστε να λυθεί ένα μαθηματικό πρόβλημα, να απεικονιστεί μια εικόνα ή ένα βίντεο και γενικά να εκτελεστούν όλες οι λειτουργίες τις οποίες εκτελεί ένας υπολογιστής που έχουμε στο σπίτι μας.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι επεξεργαστές που περιέχουν κυκλώματα από τρανζίστορ γίνονται όλο και μικρότεροι, έχοντας ως αποτέλεσμα τη δυνατότητα να εκτελούν περισσότερες πράξεις παράλληλα. Η πρόοδος αυτή των επεξεργαστών περιγράφεται από τον Νόμο του Μουρ, σύμφωνα με τον οποίο ο αριθμός των τρανζίστορ που «χωράνε» σε ένα τσιπάκι επεξεργαστή διπλασιάζεται περίπου κάθε ενάμιση χρόνο. Η ισχύς του Νόμου του Μουρ μπορεί να γίνει κατανοητή αν αναλογιστούμε ότι σήμερα στα κινητά μας τηλέφωνα μεταφέρουμε υπολογιστές οι οποίοι είναι πολλές φορές ισχυρότεροι από τον (ογκώδη) ηλεκτρονικό υπολογιστή που χρησιμοποιήθηκε για να στείλει τον άνθρωπο στο φεγγάρι. Και μάλιστα με επεξεργαστή που καταλαμβάνει πολλές φορές μικρότερο όγκο.

Ο Νόμος του Μουρ χοντρικά μας λέει ότι το μέγεθος των τρανζίστορ γίνεται ολοένα και μικρότερο. Σήμερα μπορεί να φανταστεί κανείς ότι τη διέλευση ηλεκτρονίων μέσα από ένα τρανζίστορ «εμποδίζουν» μόλις μερικές δεκάδες άτομα πυριτίου. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, είναι πιθανό μέσα στην επόμενη δεκαετία τα τρανζίστορ να είναι τόσο μικρά ώστε μόλις μερικά (ή ακόμα και ένα) άτομα πυριτίου να διακόπτουν τη διέλευση των ηλεκτρονίων μέσα από την κρυσταλλοτρίοδο. Σε αυτό όμως το επίπεδο, σύμφωνα με το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από το τρανζίστορ ακόμα και χωρίς την εφαρμογή κατάλληλης τάσης και επομένως η λειτουργία του «διακόπτη» καθίσταται αναξιόπιστη.

Επομένως, η Κβαντομηχανική μάς θέτει τα όρια στην πρόοδο που μπορούν να έχουν οι συμβατικοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Μας δίνει όμως και τα μέσα να τα ξεπεράσουμε.

Αποθηκεύοντας πληροφορία σε κβαντικά συστήματα

Οι κβαντικοί υπολογιστές στηρίζονται στη δυνατότητα των κβαντικών συστημάτων να αποθηκεύουν πληροφορία. Η πληροφορία αυτή θα κωδικοποιείται πλέον με τη βοήθεια των καταστάσεων στις οποίες βρίσκονται αυτά τα συστήματα. Τα πλεονεκτήματα των κβαντικών συστημάτων ως προς την αποθήκευση της πληροφορίας οφείλονται στις αρχές της υπέρθεσης (ή επαλληλίας) και της διεμπλοκής, οι οποίες ισχύουν στον παράξενο κόσμο της Κβαντομηχανικής.

Ο πιο εύκολος τρόπος να καταλάβουμε πώς γίνεται αυτό είναι το παράδειγμα του σπιν του ηλεκτρονίου. Το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί να λάβει δύο τιμές, 1/2 και -1/2. Μπορεί κανείς να φανταστεί τις δύο αυτές καταστάσεις σαν έναν μικροσκοπικό ραβδοειδή μαγνήτη παράλληλα ή αντιπαράλληλα ευθυγραμμισμένο με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται όχι μόνο σε μία από τις δύο βασικές καταστάσεις, αλλά σε οποιαδήποτε κατάσταση η οποία προκύπτει από την επαλληλία αυτών των καταστάσεων. Εάν λοιπόν οι δύο καταστάσεις του ηλεκτρονίου παραλληλιστούν με το 0 και 1 των τρανζίστορ, τότε μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρόνιο, πριν από οποιαδήποτε μέτρηση, βρίσκεται ταυτόχρονα και στις δύο καταστάσεις. Κατ’ αρχάς, αυτή η ιδιότητα φαίνεται να μας δίνει τη δυνατότητα να αποθηκεύουμε στα qubit (όπως ονομάζονται τα κβαντικά bit) όγκο πληροφορίας πολύ μεγαλύτερο από ό,τι στα συμβατικά bit. Για παράδειγμα, δύο qubit περιέχουν όχι δύο, αλλά τέσσερα bit πληροφορίας, ενώ κάθε φορά που αυξάνουμε τα qubit (έχοντας, για παράδειγμα, δύο, τρία ή τέσσερα ηλεκτρόνια σε υπέρθεση), ο όγκος των bit πληροφορίας διπλασιάζεται. Μερικές εκατοντάδες qubit περιέχουν περισσότερα bit πληροφορίας από όσα είναι τα άτομα που περιέχονται σε ολόκληρο το Σύμπαν.

Μια άλλη πολύ ενδιαφέρουσα και «εξωτική» ιδιότητα του μικρόκοσμου είναι η κβαντική διεμπλοκή. Πρόκειται για μια ιδιότητα της Κβαντικής Φυσικής που δεν συναντάται στην κλασική και φαίνεται παράδοξη. Ομάδες από qubit, δηλαδή κβαντικά συστήματα που αλληλεπιδρούν, εμφανίζουν καταστάσεις οι οποίες ονομάζονται διαπλεγμένες. Αυτές χαρακτηρίζουν την ομάδα ως σύνολο και δεν προκύπτουν απλώς από την υπέρθεση καταστάσεων των επιμέρους μερών της. Το ενδιαφέρον με αυτές τις καταστάσεις είναι ότι ακόμα κι αν διαχωρίσουμε τα μέρη της ομάδας τοποθετώντας τα σε τεράστιες αποστάσεις, αυτές παραμένουν διαπλεγμένες. Επομένως, η μέτρηση σε ένα μέρος της ομάδας μας δίνει τη δυνατότητα να γνωρίζουμε τι συμβαίνει στην υπόλοιπη ομάδα όπου κι αν βρίσκεται αυτή. Επιπλέον, η διαδικασία αυτή «καταστρέφει» την κατάσταση για όλη την ομάδα, κάτι που μπορεί να βρει εφαρμογή στην κρυπτογραφία. Εάν κάποιος προσπαθήσει να υποκλέψει την πληροφορία μέσω μιας διαδικασίας μέτρησης, τότε αυτό γίνεται άμεσα αντιληπτό, καθώς αλλάζει η κατάσταση και στην υπόλοιπη ομάδα.

Σε θεωρητικό επίπεδο, η απλοϊκή περιγραφή που προηγήθηκε φαίνεται να ανοίγει απεριόριστες υπολογιστικές δυνατότητες. Για παράδειγμα, με τη βοήθεια των κβαντικών υπολογιστών θα μπορούμε να «τρέξουμε» προσομοιώσεις οι οποίες απαιτούν τεράστιο όγκο πράξεων και περιγράφουν διαδικασίες σε μοριακό επίπεδο, όπως η φωτοσύνθεση ή συμπεριφορά νέων υλικών κ.λπ. Αυτή η δυνατότητα δεν υπάρχει μέχρι στιγμής με τους συμβατικούς υπολογιστές. Επομένως, πιστεύεται ότι η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών θα οδηγήσει σε αδιανόητες εξελίξεις, τόσο επιστημονικές όσο και τεχνολογικές.

Η Κβαντομηχανική ως λύση και ως πρόβλημα

Παρόλο όμως που φαίνεται να λύνει ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα στα όρια των συμβατικών υπολογιστών, η Κβαντομηχανική μάς φέρνει αντιμέτωπους και με επιπλέον προβλήματα. Όπως ήδη αναφέρθηκε, η περιγραφή που προηγήθηκε είναι απλοϊκή. Στην πραγματικότητα, μια σειρά από εμπόδια που τίθενται από την ίδια την κβαντική φύση του μικρόκοσμου θα πρέπει να ξεπεραστούν ώστε να έχουμε τη δυνατότητα να κατασκευάσουμε λειτουργικούς κβαντικούς υπολογιστές. Επιπλέον, ολόκληρη η αρχιτεκτονική των συστημάτων αυτών, οι μεταφραστές και οι αλγόριθμοι υπολογισμού θα πρέπει να προσαρμοστούν στις ιδιότητες των qubit. Η έρευνα αυτή οδηγεί συνεχώς σε νέες ανακαλύψεις τις τελευταίες δεκαετίες και έχουν επενδύσει σε αυτή όχι μόνο οργανισμοί μεγάλων κρατών αλλά και μεγάλες εταιρείες που δραστηριοποιούνται στον χώρο. Ποια είναι αυτά τα προβλήματα;

Κατ’ αρχάς, η ίδια η διαδικασία της μέτρησης στον κβαντικό κόσμο θέτει κάποιους περιορισμούς. Όταν υποβάλλουμε ένα κβαντικό σύστημα σε μια διαδικασία μέτρησης, εν γένει καταστρέφουμε την πληροφορία που αυτό περιέχει. Επομένως, σκοπός είναι να βρεθεί η κατάλληλη ακολουθία μετρήσεων που να επιτρέπει την πλήρη εξαγωγή των πληροφοριών που έχει αποθηκευτεί στην υπέρθεση των καταστάσεων του κβαντικού συστήματος που χρησιμοποιεί ο υπολογιστής.

Δεν είναι όμως μόνο η μέτρηση που αλλοιώνει την κατάσταση του κβαντικού συστήματος. Η οποιαδήποτε αλληλεπίδραση με το περιβάλλον (οι διακυμάνσεις στη θερμοκρασία, ο θόρυβος κ.λπ.) μπορεί να καταστρέψει την πληροφορία μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αποσυνοχή (decoherence). Για την αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου, τα κβαντικά συστήματα που μέχρι στιγμής χρησιμοποιούνται στην έρευνα βρίσκονται σε περιβάλλοντα με αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες. Για την ώρα, οι κατασκευές αυτές απέχουν πολύ από το να είναι λειτουργικές και αξιοποιήσιμες, όσο κι αν τα αποτελέσματα είναι ελπιδοφόρα.

Πόσο κοντά βρισκόμαστε στους κβαντικούς υπολογιστές;

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα αντικαταστήσουν τους κλασικούς, ούτε πρόκειται απαραιτήτως για γρηγορότερους υπολογιστές. Η καινοτομία τους έγκειται στο ότι θα επιτρέψουν τον υπολογισμό του (απαγορευτικού για την ώρα) όγκου πράξεων που απαιτούνται για την επίλυση συγκεκριμένων προβλημάτων στα οποία οι κλασικοί υπολογιστές δεν μπορούν να φανούν χρήσιμοι. Σε αυτές τις εφαρμογές, ένας κβαντικός υπολογιστής, εφοδιασμένος με τους σωστούς κβαντικούς αλγορίθμους και μεταφραστές, θα χρειαστεί να εκτελεί πολύ λιγότερες πράξεις για να καταλήξει στο αποτέλεσμα.

Μέχρι στιγμής, πολύ λίγα κβαντικά συστήματα βρίσκονται υπό μελέτη ώστε να αξιοποιηθούν ως qubits. Ένα από αυτά βασίζεται σε διατάξεις παρόμοιες με τα συμβατικά τρανζίστορ, όπου όμως αξιοποιείται το σπιν του εξωτερικού ηλεκτρονίου του ατόμου του πυριτίου, το οποίο μπορεί να αλλάζει με τη βοήθεια παλμών μικροκυμάτων. Άλλα αξιοποιούν υπεραγώγιμες διατάξεις ή ιόντα παγιδευμένα σε θαλάμους κενού. Πρόσφατα διατυπώθηκε η άποψη ότι ακόμα και τα παράξενα φερμιόνια Majorana (σωματίδια που αποτελούν ταυτόχρονα και τα αντισωματίδια του εαυτού τους) σε συνδυασμό με χρονοκρύσταλλους (μια πιθανή νέα κατάσταση της ύλης) θα μπορούσαν να αποτελούν τη βάση για κβαντινούς υπολογιστές. Η επικαιρότητα είναι γεμάτη από νέες ιδέες, λιγότερο ή περισσότερο ρεαλιστικά σενάρια και μικρότερες ή μεγαλύτερες επιτυχίες, ωστόσο η έρευνα που χρειάζεται ακόμη να γίνει είναι πολλή.

Οι απόψεις για τον χρόνο που θα χρειαστούμε ώστε να έχουμε στα χέρια μας τον πρώτο κβαντικό υπολογιστή ποικίλουν. Οι πιο αισιόδοξοι θεωρούν πως είναι θέμα πολύ λίγων ετών, άλλοι πως θα χρειαστεί τουλάχιστον μία δεκαετία. Η ιστορία των συμβατικών υπολογιστών, πάντως, μας δείχνει ότι χρειάστηκαν δεκαετίες από την εφεύρεση του τρανζίστορ ώς την εμφάνιση των προσωπικών υπολογιστών...

Γιάννης Κοντογιάννης

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

ΓΝΩΜΕΣ

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ

EDITORIAL

ΑΝΑΛΥΣΗ

SOCIAL