Ακούμε για κβαντικούς υπολογιστές για τουλάχιστον μερικά χρόνια. Τι είναι όμως; Σε τι χρησιμεύει ο κβαντικός υπολογιστής; Σήμερα είναι όλα σχετικά με απλά λόγια.
Ποσοστό υπολογιστή είναι μια εφεύρεση για την οποία πολλοί ερευνητές έχουν μεγάλες ελπίδες, προσδοκώντας ότι θα έχει θετικό αντίκτυπο στην ανάπτυξη της επιστήμης. Ωστόσο, η κατανόηση του πώς λειτουργεί η κβαντική φυσική είναι πολύ δύσκολη. Μερικοί φυσικοί αμφιβάλλουν ακόμη και αν οι σημερινοί «κβαντικοί υπολογιστές» πρέπει να ονομάζονται έτσι. Το μεγαλύτερο εμπόδιο στη χρήση των κβαντικών υπολογιστών είναι ο μεγάλος αριθμός σφαλμάτων που επηρεάζονται ακόμη και από τις μικρότερες αλλαγές στο περιβάλλον των κβαντικών μηχανών. Μέχρι στιγμής, δεν έχουμε καταφέρει ακόμη να εκμεταλλευτούμε πλήρως ικανοποιητικά τις δυνατότητες των κβαντικών bit. Σήμερα θα προσπαθήσουμε να μάθουμε τι είναι το ιδιαίτερο σε αυτά τα πολύ κβαντικά bits;
Υπάρχουν κβαντικοί υπολογιστές;
Η ουσία κάθε πραγματικού επιστήμονα είναι να μην εμπιστεύεται και να ελέγχει συνεχώς. Θυμήθηκα αυτά ακριβώς τα λόγια όταν ήμουν ακόμη φοιτητής. Και περισσότερες από μία φορές σιγουρεύτηκε για την ορθότητα αυτής της φράσης. Αυτό ισχύει και για τους «κβαντικούς υπολογιστές». Γιατί παρέθεσα το όνομα αυτών των υπολογιστών; Ας ανακαλύψουμε.
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ένα πολύ περίπλοκο θέμα, αλλά θα προσπαθήσω να το κάνω όσο πιο απλό γίνεται και να μιλήσω γι' αυτούς με προσιτό τρόπο. Ακόμη και σήμερα, οι επιστήμονες, οι φυσικοί και οι μηχανικοί μπορούν να συζητήσουν το φαινομενικά απλό ερώτημα του εάν ένας λειτουργικός κβαντικός υπολογιστής υπάρχει κάπου στον κόσμο. «Μα πώς, τελικά, εταιρείες όπως η IBM καυχιούνται για τους κβαντικούς υπολογιστές!» - μπορεί να πει κάποιος. Και θα έχει δίκιο. Παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα εάν η IBM έχει δημιουργήσει πραγματικά έναν κβαντικό υπολογιστή ή απλώς αποκάλεσε τη συσκευή της «κβαντικό υπολογιστή».
Όταν ένας από τους φίλους μου μου ζητά να εξηγήσω με απλά λόγια πώς διαφέρουν οι κβαντικοί υπολογιστές από τους υπολογιστές που έχουμε συνηθίσει, συνήθως χρησιμοποιώ μια απλή σύγκριση. Αν οι κλασικοί μας υπολογιστές (όπως π.χ PC, φορητοί υπολογιστές και smartphone) είναι κεριά, τότε οι κβαντικοί υπολογιστές είναι λαμπτήρες. Ο σκοπός και των δύο είναι ο ίδιος – για τους λαμπτήρες πυρακτώσεως και τα κεριά, είναι η εκπομπή φωτός και για τους υπολογιστές, είναι για υπολογισμούς. Ωστόσο, και στις δύο περιπτώσεις ο στόχος επιτυγχάνεται εντελώς διαφορετικά και το αποτέλεσμα είναι διαφορετικό. Με απλά λόγια, ένας κβαντικός υπολογιστής δεν είναι απλώς μια βελτιωμένη έκδοση των σύγχρονων υπολογιστών, όπως μια λάμπα δεν είναι απλώς ένα μεγαλύτερο κερί. Δεν μπορείτε να δημιουργήσετε μια λάμπα φτιάχνοντας κεριά όλο και καλύτερα. Η λάμπα είναι διαφορετική τεχνολογία, βασισμένη σε βαθύτερη επιστημονική κατανόηση. Ομοίως, ένας κβαντικός υπολογιστής είναι ένας νέος τύπος συσκευής που βασίζεται στην κβαντική φυσική, και όπως ο λαμπτήρας άλλαξε την κοινωνία, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να επηρεάσουν πολλές πτυχές της ζωής μας, συμπεριλαμβανομένων των αναγκών ασφαλείας, της υγειονομικής περίθαλψης, ακόμη και του Διαδικτύου.
Έτσι, αν παραμείνουμε στη σύγκριση υπολογιστών με λαμπτήρες, τότε ο «κβαντικός Τζόζεφ Σουάν» (δημιουργός του πρώτου λειτουργικού λαμπτήρα πυρακτώσεως) δεν έχει εμφανιστεί ακόμα και μέχρι στιγμής η επιστήμη προσπαθεί, με απλά λόγια, να κάνει «κάτι κόκκινο και καυτό» ελέγχοντας πόσο λάμπει. Γνωρίζουμε μερικά από τα θεωρητικά θεμέλια για το πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές, αλλά υπάρχουν τεράστια εμπόδια στην ανάπτυξή τους που ακόμη περιμένουν να επιλυθούν.
Ερευνητικά κέντρα και εταιρείες σε όλο τον κόσμο πραγματοποιούν περαιτέρω δοκιμές και έρευνες, και οι ειδικοί στον τομέα της κβαντικής φυσικής συμφωνούν ότι η δημιουργία πλήρως λειτουργικών κβαντικών μηχανών που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να επιτύχουμε στόχους που είναι αδύνατο να επιτευχθούν σε αυτό το στάδιο, προφανώς θα περάσει δεκάδες των ετών.
Πιστεύω, και πολλοί επιστήμονες θα συμφωνήσουν μαζί μου, ότι οι μηχανές που σήμερα ονομάζονται κβαντικοί υπολογιστές δεν αξίζουν καθόλου τέτοιο όνομα. Δεν έχουν την ικανότητα να κάνουν υπολογισμούς ή να λύνουν προβλήματα που δεν μπορούμε να λύσουμε με κανονικό, κλασικό τρόπο.
Δεν έχουμε φτάσει ακόμη σε τέτοιο βαθμό της τεχνολογικής μας εξέλιξης ώστε να μπορέσουμε να δημιουργήσουμε μια κβαντική μηχανή που θα έλυνε προβλήματα που είναι προς το παρόν απρόσιτα στους κλασικούς υπολογιστές. Φυσικά, η Google ή η IBM μιλούν για κάποιους ή άλλους υπολογισμούς που θα ήταν δύσκολο να γίνουν με κλασικό τρόπο, αλλά αυτή τη στιγμή δεν είναι πειστικοί.
Διαβάστε επίσης: Η Κίνα είναι επίσης πρόθυμη να εξερευνήσει το διάστημα. Πώς τα πάνε λοιπόν;
Τι είναι ένα κβαντικό;
Τι είναι τελικά ένα «κβάντο»; Δεν είναι φυσικό αντικείμενο. Ο όρος «κβαντικό» χρησιμοποιείται στη φυσική για να περιγράψει το μικρότερο δυνατό κλάσμα κάτι. Έτσι μπορείτε να έχετε ένα «κβάντο δύναμης», ένα «χρονικό κβάντο» ή ένα «κβάντο σωματιδίων». Ακολουθώντας αυτό το μονοπάτι, θα καταλήξουμε σε όρους όπως «κβαντική φυσική» και «κβαντική μηχανική», δηλαδή κλάδους της επιστήμης που ασχολούνται με τις μικρότερες δυνατές αλληλεπιδράσεις ή συστήματα - σε επίπεδο ατόμων και ακόμη και μεμονωμένων κουάρκ.
Και τώρα φτάσαμε στο qubit (κβαντικό bit), δηλαδή στη «μικρότερη και αδιαίρετη μονάδα κβαντικής πληροφορίας». Ταυτόχρονα, φτάνουμε επίσης στο πρώτο σημείο, το οποίο μας λέει για τις ομοιότητες και τις διαφορές στον τρόπο με τον οποίο οι κλασικοί υπολογιστές (με χρήση bit) και οι κβαντικοί υπολογιστές (χρησιμοποιώντας qubits) εκτελούν υπολογισμούς.
Στους κλασικούς υπολογιστές, κάθε πληροφορία αποθηκεύεται ως ακολουθία μονάδων και μηδενικών. Τέτοιες πληροφορίες γίνονται αντιληπτές και ερμηνεύονται από υπολογιστή, κονσόλα, smartphone, έξυπνο ρολόι και έξυπνη τηλεόραση, παρόμοιες με τις λειτουργίες που εκτελούνται σε αυτές τις πληροφορίες. Είτε κοιτάμε φωτογραφίες διακοπών, συζητάμε με φίλους, παίζουμε το πιο πρόσφατο παιχνίδι ή εκτελούμε προηγμένους κρυπτογραφικούς υπολογισμούς, όλα συμβαίνουν σε ένα δυαδικό σύστημα όπου υπάρχουν 0 ή 1 και τίποτα άλλο. Στην πραγματικότητα, μοιάζει περισσότερο με ένα κλασικό ναι ή όχι.
Το πόσο αναποτελεσματικό είναι αυτό το σύστημα φαίνεται όταν φτάσουμε στα όριά του. Και είτε μας τελειώνει ο χώρος στα smartphone μας για άλλη μια selfie είτε οι επιστήμονες προσπαθούν να δημιουργήσουν μαθηματικά μοντέλα για την ανάπτυξη μιας πανδημίας, το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν πάρα πολλά μηδενικά και ένα και οι πόροι για να τα αποθηκεύσουμε και η δύναμη υπολογίστε τα δεν είναι διαθέσιμα.
Το Qubit λύνει αυτό το πρόβλημα. Αυτή η πληροφορία χρησιμοποιεί ιδιότητες της κβαντικής φυσικής που της επιτρέπουν να παραμένει σε μια λεγόμενη υπέρθεση. Ένα qubit μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή μεταξύ 0 και 1. Έχει τις ιδιότητες ολόκληρου του φάσματος και μπορεί να έχει τιμές όπως 15 τοις εκατό μηδέν και 85 τοις εκατό ένα. Θεωρητικά, αυτό σας επιτρέπει να αποθηκεύσετε πολύ περισσότερες πληροφορίες ή να επιταχύνετε τους υπολογισμούς. Ταυτόχρονα όμως προκύπτουν πολλά προβλήματα που δύσκολα μπορείς να ελέγξεις και μάλιστα να καταλάβεις.
Ένα άλλο χαρακτηριστικό των κβαντικών υπολογιστών, που επιτρέπει επιπλέον κλιμάκωση της υπολογιστικής ισχύος, είναι η χρήση κβαντικής εμπλοκής. Αυτή είναι μια κατάσταση όπου δύο qubits συνδέονται μεταξύ τους και κάθε φορά που παρατηρούμε ένα από αυτά, το άλλο θα είναι ακριβώς στην ίδια κατάσταση. Το Entanglement επιτρέπει στα qubits να ομαδοποιούνται σε ακόμα πιο αποτελεσματικές μονάδες για την εγγραφή και την επεξεργασία πληροφοριών.
Διαβάστε επίσης: Ποιοι είναι οι βιοχάκερ και γιατί αυτοπαραβιάζουν οικειοθελώς;
Κβαντικός εξοπλισμός
Ένας κβαντικός υπολογιστής αποτελείται από τρία κύρια μέρη: μια περιοχή για την αποθήκευση των qubits, μια μέθοδο για τη μετάδοση σημάτων στα qubits και έναν κλασικό υπολογιστή για την εκτέλεση ενός προγράμματος και την αποστολή οδηγιών.
Το κβαντικό υλικό που συνθέτει τα qubits είναι ευαίσθητο και εξαιρετικά ευαίσθητο στις περιβαλλοντικές επιρροές. Για ορισμένες μεθόδους αποθήκευσης qubit, η μονάδα που φιλοξενεί τα qubit διατηρείται σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν για να μεγιστοποιηθεί η συνοχή τους. Άλλοι τύποι αποθήκευσης qubit χρησιμοποιούν θάλαμο κενού για την ελαχιστοποίηση των κραδασμών και τη σταθεροποίηση των qubits.
Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι μετάδοσης σημάτων σε qubits, όπως μικροκύματα, λέιζερ και ηλεκτρική τάση.
Προκειμένου να καθιερωθεί η κανονική λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών, είναι απαραίτητο να λυθούν πολλά προβλήματα. Ένα σημαντικό πρόβλημα με τους κβαντικούς υπολογιστές είναι η διόρθωση σφαλμάτων και η κλιμάκωση (προσθήκη περισσότερων qubits) αυξάνει περαιτέρω τη συχνότητά τους. Εξαιτίας αυτών των περιορισμών, ένας κβαντικός προσωπικός υπολογιστής στο γραφείο σας είναι ακόμα ένα μακρινό μέλλον, αλλά οι εμπορικοί κβαντικοί υπολογιστές ενδέχεται να γίνουν διαθέσιμοι στο εγγύς μέλλον. Ας μιλήσουμε για αυτό με περισσότερες λεπτομέρειες.
Προβλήματα κβαντικών υπολογιστών
Ωστόσο, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν ένα τεράστιο πρόβλημα. Δηλαδή, οι επιστήμονες έχουν τεράστιο πρόβλημα με τη χρήση τους, γιατί, χάρη στις ειδικές ιδιότητές τους, τα qubits χρειάζονται ένα αρκετά ήρεμο περιβάλλον για να μπορούν να διαβάζουν με ακρίβεια τυχόν δεδομένα από αυτά. Κάθε, ακόμη και η πιο μικρή παράβαση θα καθιστά αδύνατη την ακριβή ανάγνωση των πληροφοριών.
Στην περίπτωση των κλασικών υπολογιστών, ένα παρόμοιο πρόβλημα έπαιζε επίσης σημαντικό ρόλο στο παρελθόν, αλλά σήμερα είναι τόσο ασήμαντο που συχνά παραβλέπεται ακόμη και στην ακαδημαϊκή επιστήμη. Μιλάμε για ποσοστό σφάλματος. Είναι ένας δείκτης που καθορίζει ποια αναλογία bit ή qubit πληροφοριών μπορεί να καταστραφεί. Αυτό μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, τη στιγμή της υπέρτασης ή άλλων διαταραχών.
Για κλασικές συσκευές, η πιθανότητα σφάλματος είναι περίπου ένα προς 1017 κομμάτι Στην περίπτωση των κβαντικών υπολογιστών, αυτό εξακολουθεί να είναι ένα από πολλές εκατοντάδες. Και αυτό συμβαίνει σε μια κατάσταση όπου οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν στις πιο απομονωμένες συνθήκες και σε θερμοκρασία -272 βαθμούς Κελσίου, δηλαδή λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Οποιεσδήποτε διακυμάνσεις θερμοκρασίας, αλλαγές στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ακόμη και κίνηση καταστρέφουν ολόκληρο τον υπολογισμό.
Ένα άλλο πρόβλημα είναι η «αστάθεια» των κβαντικών καταστάσεων. Κάθε φορά που μετράμε ή θέλουμε να διαταράξουμε μια κβαντική κατάσταση, αυτή επιστρέφει σε μία από τις δύο θέσεις, μηδέν και μία. Σε αυτή την περίπτωση, η κβαντική κατάσταση θα αποσυντεθεί. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται κβαντική αποσυνοχή.
Σκεφτείτε το ως εξής: ένας κβαντικός υπολογιστής είναι ένας ικανός μαθηματικός που εκτελεί σύνθετους υπολογισμούς και τα αποτελέσματά του είναι μεταξύ 0 και 1 εκατομμυρίου. Εμείς, με τη σειρά μας, είμαστε ένα παιδί που καταλαβαίνει μόνο ότι κάτι μπορεί να είναι πολύ ή πολύ λίγο. Όποτε ένας μαθηματικός μπορεί να έχει διαφορετικά αποτελέσματα, όπως 356 ή 670,23, σύμφωνα με την κατανόησή μας για τον κόσμο, καθένα από αυτά τα αποτελέσματα θα ταξινομείται ως λίγα (1) ή πολλά (846), χωρίς να ορίζεται συγκεκριμένη διαφορά μεταξύ των δύο. Αυτή είναι η κβαντική αποσυνοχή. Ο μόνος τρόπος για να κάνετε έναν σωστό υπολογισμό είναι να εγγυηθείτε τη μαθηματική εργασία πριν ολοκληρωθεί.
Διαβάστε επίσης: Τι θα κάνουν η Επιμονή και η Εφευρετικότητα στον Άρη;
Σε τι θα χρησιμοποιήσουμε τους κβαντικούς υπολογιστές;
Σήμερα, τίθεται το ερώτημα σε τι μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι κβαντικοί υπολογιστές, όπως πριν από 20 χρόνια, σε τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα smartphone. Φυσικά, υπάρχουν ήδη κάποια σχέδια και υποθέσεις, αλλά οι πιο ενδιαφέρουσες οδηγίες για τη χρήση των qubits θα γίνουν πιθανώς σαφείς όταν οι κβαντικοί υπολογιστές γίνουν ευρέως διαδεδομένοι.
Η κρυπτογραφία είναι ένα από τα πιο δημοφιλή πεδία όπου ο κβαντικός υπολογισμός χρησιμοποιείται συχνότερα. Το θέμα είναι ότι θα είναι μια μέθοδος μετάδοσης πληροφοριών με πολύ ασφαλή τρόπο και η ασφάλεια δεν βασίζεται στην πολυπλοκότητα των υπολογιστικών διαδικασιών, αλλά στους νόμους της φυσικής, που θα δίνουν σιγουριά ότι ορισμένα πράγματα είναι απλά αδύνατα. Και αυτή τη στιγμή θα είναι αδύνατο να ακούσετε, να κατασκοπεύσετε, να χακάρετε.
Η ασφάλεια σε αυτή την περίπτωση είναι εγγυημένη από τις ίδιες τις φυσικές ιδιότητες των qubits, τα οποία, όπως εξήγησα προηγουμένως, παύουν να εμφανίζουν χαρακτηριστικά υπέρθεσης μόλις παρατηρηθούν. Έτσι, οποιαδήποτε προσπάθεια υποκλοπής ή ακόμα και αντιγραφής του κωδικοποιημένου μηνύματος θα το καταστρέψει απλώς.
Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορεί επίσης να μας επιτρέψουν να κατανοήσουμε καλύτερα τις φυσικές διαδικασίες. Το «χάος» της υπέρθεσης αντικατοπτρίζει πολύ καλύτερα τον τρόπο, για παράδειγμα, τις μεταλλάξεις στο DNA, άρα και την ανάπτυξη της ασθένειας και της εξέλιξης. Ο κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιείται ήδη σήμερα για τη δημιουργία νέων φαρμάκων.
Ίσως έχει νόημα να μιλάμε για τη χρήση κβαντικών υπολογιστών για τηλεμεταφορά δεδομένων. Ναι, ακριβώς η τηλεμεταφορά δεδομένων, και πιθανώς ενός ατόμου. Θα μπορούμε να τηλεμεταφέρουμε πληροφορίες από μέρος σε μέρος χωρίς να τις μεταφέρουμε φυσικά. Ακούγεται σαν φαντασία, αλλά είναι δυνατό, επειδή αυτή η ρευστότητα των κβαντικών σωματιδίων μπορεί να μπλέξει στο χρόνο και στο χώρο, έτσι ώστε μια αλλαγή σε ένα σωματίδιο να επηρεάσει ένα άλλο, και αυτό δημιουργεί ένα κανάλι για τηλεμεταφορά. Αυτό έχει ήδη αποδειχθεί σε εργαστήρια και θα μπορούσε να είναι μέρος του κβαντικού διαδικτύου του μέλλοντος. Δεν έχουμε ακόμα τέτοιο δίκτυο, αλλά ορισμένοι επιστήμονες εργάζονται ήδη σε αυτές τις δυνατότητες, προσομοιώνοντας ένα κβαντικό δίκτυο σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Έχουν ήδη αναπτύξει και εφαρμόσει ενδιαφέροντα νέα πρωτόκολλα, όπως τηλεμεταφορά μεταξύ χρηστών του δικτύου και αποτελεσματική μεταφορά δεδομένων, ακόμη και ασφαλή ψηφοφορία.
Θα πρέπει επίσης να ειπωθεί ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα πρέπει να χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση διαφόρων καταστάσεων και την εξεύρεση λύσεων σε προβλήματα, συμπεριλαμβανομένων των φαρμάκων και των εμβολίων. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια πανδημιών όπως ο κορωνοϊός, όταν απαιτείται ταχύτερος υπολογισμός και υπολογισμός των επιλογών. Εδώ μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη δυνατότητα κβαντικής μοντελοποίησης, η οποία δεν μπορεί να εκτελεστεί σε κλασικό υπολογιστή. Όταν εμφανίζεται μια νέα ασθένεια, η διαδικασία εύρεσης της θεραπείας διαρκεί περίπου 15 χρόνια και μπορεί να κοστίσει έως και 2,6 δισεκατομμύρια δολάρια. Σε ορισμένες ασθένειες, είναι απαραίτητο να φιλτράρουμε εκατομμύρια μόρια για να εντοπίσουμε μόνο εκατοντάδες πολλά υποσχόμενα άτομα που είναι πιθανό να γίνουν δότες. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια της δοκιμής, περίπου το 99% των μορίων πέφτουν λόγω, μεταξύ άλλων, εσφαλμένης πρόβλεψης συμπεριφοράς και περιορισμών δειγματοληψίας. Εδώ θα έβγαιναν στο προσκήνιο οι κβαντικοί υπολογιστές.
Και αυτές είναι μόνο μερικές από τις υπέροχες ιδέες για το τι μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας την κβαντική φυσική. Προς το παρόν, καταφέρνουμε σε κάποιο βαθμό να τιθασεύσουμε τον ιδιότροπο χαρακτήρα της, αλλά όλες οι εξελίξεις είναι ακόμα στο αρχικό επίπεδο. Η δημιουργία ενός πραγματικού κβαντικού υπολογιστή και η μαζική εφαρμογή του είναι ακόμα αρκετά μακριά, αλλά η πρόοδος δεν σταματά. Επομένως, ίσως σε περίπου δέκα χρόνια θα διαβάζετε αυτό το άρθρο με τη βοήθεια ενός κβαντικού υπολογιστή και θα χαμογελάτε συγκαταβατικά.
Διαβάστε επίσης:
Çoch sağ olun, muellimin bize σύγχρονες συσκευές μνήμης