Γιατί οι επιστήμονες είναι τόσο ενθουσιασμένοι με τους κβαντικούς υπολογιστές;

Οι υπολογιστές έχουν εξελιχθεί δραματικά τις τελευταίες δεκαετίες, από τις κάρτες διάτρησης και τις διεπαφές που βασίζονται σε κείμενο έως τα ρεαλιστικά γραφικά και τις μηχανές υψηλής ταχύτητας που έχουμε σήμερα. Ούτε η τεχνολογία έχει σταματήσει να εξελίσσεται - συλλογικά, οδεύουμε στην εποχή των κβαντικών υπολογιστών. Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής και γιατί οι επιστήμονες είναι τόσο ενθουσιασμένοι με αυτόν;

Τι είναι ο Κβαντικός Υπολογισμός;

Μπορεί να ακούγεται σαν κάτι από το "Star Trek" ή άλλο franchise επιστημονικής φαντασίας, αλλά οι κβαντικοί υπολογιστές έρχονται πιο κοντά στην πραγματικότητα κάθε χρόνο.

Τι είναι ο κβαντικός υπολογισμός; Η Investopedia ορίζει τον κβαντικό υπολογισμό ως «έναν τομέα υπολογιστών που επικεντρώνεται στην ανάπτυξη τεχνολογίας υπολογιστών με βάση τις αρχές της κβαντικής θεωρίας». Για να το καταλάβετε αυτό, πρέπει επίσης να κατανοήσετε την κβαντική θεωρία.

Το λεξικό Merriam-Webster ορίζει την κβαντική θεωρία ως «μια θεωρία στη φυσική που βασίζεται στην έννοια της υποδιαίρεσης της ακτινοβολούμενης ενέργειας σε πεπερασμένα κβάντα και εφαρμόζεται σε πολυάριθμες διαδικασίες που περιλαμβάνουν μεταφορά ή μετασχηματισμό ενέργειας σε ατομική ή μοριακή κατάσταση».

Ο στόχος της κβαντικής θεωρίας και της κβαντικής φυσικής, γενικά, είναι να προβλέψει πώς λειτουργεί η ύλη — συχνά με τρόπους που φαίνονται εντελώς διαφορετικοί από αυτό που θα έπρεπε να συμβαίνει στον πραγματικό κόσμο. Τα υποατομικά σωματίδια, για παράδειγμα, μπορεί να είναι δύσκολο να προβλεφθούν επειδή είναι πολύ μικρά για να τα δούμε εκτός από πολύ συγκεκριμένες συνθήκες. Η κβαντική θεωρία δίνει στους φυσικούς τα εργαλεία για να προβλέψουν πώς θα αντιδράσουν αυτά τα σωματίδια σε διαφορετικές καταστάσεις.

Ο απώτερος στόχος του κβαντικού υπολογισμού είναι να μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε υπολογιστές που μπορούν να βασίζονται στα πράγματα που έχουμε μάθει για την κβαντική θεωρία και την κβαντική μηχανική για να προωθήσουμε την υπολογιστική τεχνολογία προς τα εμπρός. Πώς συγκρίνεται ένας κβαντικός υπολογιστής με τις υπάρχουσες τεχνολογίες υπολογιστών;

Old &Busted vs. New Hotness

Αυτήν τη στιγμή, κάθε υπολογιστής που έχετε χρησιμοποιήσει τρέχει, στον πυρήνα του, σε 1 και 0. Αυτή η δυαδική γλώσσα είναι ο τρόπος με τον οποίο αποθηκεύουμε δεδομένα, αποδίδουμε εικόνες και επεξεργαζόμαστε οτιδήποτε μπαίνει και βγαίνει από έναν υπολογιστή. Η μεγαλύτερη πρόκληση που έπρεπε να αντιμετωπίσουμε είναι ο νόμος του Moore, ο οποίος δηλώνει ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα μικροτσίπ διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια — και ότι τελικά, θα φτάσουμε σε ένα σημείο όπου αυτό δεν είναι πλέον δυνατό.

Τελικά, αν δεν απομακρυνθούμε εντελώς από τα τρανζίστορ, θα σταματήσουμε να προχωράμε, γιατί μπορείτε μόνο να στριμώξετε τόσα πολλά τρανζίστορ σε ένα τσιπ προτού λιώσει από τη θερμότητα που παράγουν τα τρανζίστορ.

Η διαφορά μεταξύ ενός κβαντικού υπολογιστή και ενός παραδοσιακού υπολογιστή δεν είναι κάτι που μπορείτε να ποσοτικοποιήσετε από την άποψη του παλιού και του νέου, επειδή είναι δύο εντελώς διαφορετικά ζώα. Είναι σαν να συγκρίνεις ένα Ford Model T με ένα F22. Και τα δύο θα σας μετακινήσουν από το ένα μέρος στο άλλο, αλλά ενώ το ένα είναι κολλημένο στο έδαφος, το άλλο μπορεί να πετάξει.

Να μπλέξουμε όλα τα Qubits

Ας παίξουμε λίγο συσχετισμό λέξεων. Τι σας έρχεται στο μυαλό όταν ακούτε τις λέξεις «υπολογιστής» και «μπλεγμένο;» Εάν είστε όπως οι περισσότεροι από εμάς, πιθανότατα αρχίσατε να φαντάζεστε ένα χάος από στριμμένα καλώδια κρυμμένα πίσω από το γραφείο σας με την ελπίδα ότι θα ξεμπερδέψουν πριν χρειαστεί να αποσυνδέσετε κάτι. Ο κβαντικός υπολογισμός βασίζεται στο μπερδεμένο πράγματα ή μάλλον στην έννοια της κβαντικής εμπλοκής.

Όταν δύο υποατομικά σωματίδια μπλέκονται στο κβαντικό επίπεδο, παραμένουν συνδεδεμένα ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους. Θα μπορούσατε να πάρετε δύο πλεγμένα με κβαντικά φωτόνια και να τα πυροβολήσετε στα αντίθετα άκρα του σύμπαντος και θα εξακολουθεί να υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ των δύο. Ο Αϊνστάιν αποκάλεσε την έννοια "απόκοσμη" επειδή η απομακρυσμένη αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των σωματιδίων είναι στιγμιαία, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους.

Αντί να χρησιμοποιούν ένα bit που δημιουργεί είτε ένα 1 είτε ένα 0 στην παραδοσιακή δυαδική γλώσσα, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν qubits. Εξακολουθούν να δημιουργούν 1 και 0, αλλά εκτός από το ότι είναι το ένα ή το άλλο, ένα qubit μπορεί να είναι και τα δύο ταυτόχρονα, χάρη στην έννοια της κβαντικής υπέρθεσης, η οποία δηλώνει ότι μπορείτε να προσθέσετε δύο κβαντικές καταστάσεις μαζί και να δημιουργήσετε μια τρίτη έγκυρη κατάσταση, αλλά ότι και οι δύο καταστάσεις θα υπάρχουν μέχρι να μετρηθεί.

Εάν είστε εξοικειωμένοι με την έννοια της γάτας του Schrodinger, τότε κατανοείτε τα βασικά της κβαντικής υπέρθεσης.

Πιθανές εφαρμογές για κβαντικούς υπολογιστές

Πέρα από τον νόμο του Μουρ, οι παραδοσιακοί υπολογιστές είναι περιορισμένοι. Μπορούν να επεξεργαστούν μόνο τόσες πολλές πληροφορίες σε μια δεδομένη στιγμή, και ακόμη και οι πιο ισχυροί υπερυπολογιστές βασίζονται σε χιλιάδες πυρήνες CPU και GPU. Λειτουργούν επίσης με πολύ γραμμικό τρόπο — εργάζονται μέσω των διαθέσιμων δεδομένων με τη σειρά που εισάγονται και δεν μπορούν να πηδήξουν για να λύσουν προβλήματα ή να καταλήξουν σε συμπεράσματα πιο γρήγορα. Αν και αυτό είναι τελικά αποτελεσματικό, χρειάζεται πολύς χρόνος.

Οι κβαντικοί υπολογιστές, από την άλλη πλευρά, μπορούν να δημιουργήσουν τεράστιους πολυδιάστατους χώρους που αντιπροσωπεύουν το πρόβλημα, κάνοντας τα δεδομένα πιο εύκολη την πλοήγηση. Για έναν παραδοσιακό υπολογιστή, ένα σημαντικό πρόγραμμα μπορεί να διαρκέσει μια εβδομάδα ή περισσότερο για να επεξεργαστεί. Ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να ολοκληρώσει το ίδιο πρόγραμμα σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.

Δεν χρειάζεται καν να μάθετε μια φανταχτερή νέα γλώσσα προγραμματισμού για να εργαστείτε με κβαντικούς υπολογιστές. Το τμήμα κβαντικών υπολογιστών της IBM χρησιμοποιεί Qiskit — μια γλώσσα γειτονική με Python. Είναι επίσης μια δωρεάν και ανοιχτού κώδικα γλώσσα προγραμματισμού, ώστε να μπορείτε να αποκτήσετε ένα πόδι και να αρχίσετε να μαθαίνετε πώς να προγραμματίζετε τον ολοκαίνουργιο κβαντικό υπολογιστή σας.

Για τους επιστήμονες, οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι απίστευτα πολύτιμοι όταν πρόκειται να "βρουν μια βελόνα σε μια θημωνιά" ή να ταξινομήσουν τεράστιες ποσότητες δεδομένων εγκαίρως. Μόλις η τεχνολογία είναι πιο άμεσα διαθέσιμη, πιθανότατα θα εμφανιστεί σε βιομηχανίες που ήδη δυσκολεύονται να ταξινομήσουν petabyte δεδομένων, όπως η ιατρική, τα οικονομικά και διάφοροι επιστημονικοί κλάδοι.

Μεταφορά ενός κβαντικού υπολογιστή στην τσέπη σας

Σήμερα, η κατασκευή ενός υπολογιστή είναι αρκετά απλή. Συλλέξτε τα εξαρτήματά σας, τοποθετήστε τα στις σωστές υποδοχές, συνδέστε ολόκληρο το μηχάνημα και εγκαταστήστε το λειτουργικό σας σύστημα. Παρά την έλλειψη εξαρτημάτων, μπορείτε να φτιάξετε έναν εξαιρετικό υπολογιστή με ελάχιστη προσπάθεια. Λίγες ώρες προσπάθειας και ίσως μερικές ακόμα λήψη ενημερώσεων και εγκατάσταση προγραμμάτων, και έχετε το τέλειο μηχάνημα για όλες τις ανάγκες σας για παιχνίδια ή περιήγηση.

Θα μπορέσουμε ποτέ να φέρουμε στο σπίτι έναν κβαντικό υπολογιστή;

Αυτή τη στιγμή, όλα αυτά είναι εικασίες. Είναι αδύνατο να πούμε εάν η κβαντική πληροφορική θα είναι ποτέ καταναλωτικό προϊόν, επειδή δεν είναι ακόμη ένα βιώσιμο εμπορικό προϊόν. Τούτου λεχθέντος, ορισμένοι ειδικοί του κλάδου πιστεύουν ότι θα δούμε κβαντικούς υπολογιστές διαθέσιμους σε επίπεδο καταναλωτή έως το 2050 — αλλά αυτό εξαρτάται από πολλά διαφορετικά πράγματα που συμβαίνουν.

Πρώτον, πρέπει να υιοθετηθούν από κυβερνήσεις και εταιρείες και τελικά, όπως είδαμε με τους αρχικούς μεγάλους υπολογιστές μεγέθους δωματίου στη δεκαετία του 1950 και του '60, θα δούμε την τεχνολογία να αρχίσει να συρρικνώνεται, να γίνεται πιο προσιτή και προσβάσιμη , και μόνο τότε θα αρχίσουμε να βλέπουμε οικιακούς κβαντικούς υπολογιστές να γίνονται διαθέσιμοι.

Θα μπορούσατε να φανταστείτε ότι θα μπορούσατε να παίξετε σε έναν κβαντικό υπολογιστή που μπορεί να επεξεργαστεί δεδομένα αξίας μιας εβδομάδας σε δευτερόλεπτα; Δεν θα είμαστε σε θέση να συνεχίσουμε αν δεν βρούμε έναν τρόπο να διασυνδέσουμε τους υπολογιστές απευθείας με το μυαλό μας — και αυτό είναι τόσο διαφορετικό κουτί σκουληκιών όσο και μια τεχνολογία που αποθηκεύεται καλύτερα για μια άλλη συνομιλία.

Το μέλλον των υπολογιστών είναι κβαντικό

Οι υπολογιστές έχουν αλλάξει πολύ από τότε που ξεκινήσαμε να συναρμολογούμε mainframes μεγέθους δωματίου. Τώρα, μπορείτε να μεταφέρετε κάτι πιο ισχυρό από το διαστημόπλοιο που μετέφερε το Apollo 11 στο φεγγάρι στην τσέπη σας — και αυτός ο μικρός υπολογιστής σας δίνει πρόσβαση στους φίλους, την οικογένεια και όλες τις συλλεγμένες πληροφορίες της ανθρώπινης φυλής. Αυτό από μόνο του θα έπρεπε να είναι ταπεινό, αλλά αντί να είμαστε ταπεινοί, αποφασίσαμε να βουτήξουμε συλλογικά το δάχτυλό μας στην πισίνα της κβαντικής μηχανικής μόνο για να δούμε τι μπορούμε να κάνουμε με αυτό.

Θα φτάσουμε τελικά σε ένα σημείο με την τρέχουσα τεχνολογία υπολογιστών όπου δεν μπορούμε να προχωρήσουμε περαιτέρω. Εκεί θα αναλάβει ο κβαντικός υπολογισμός. Απέχουμε ακόμη μερικές δεκαετίες από το να το δούμε σε κάθε είδους εφαρμογή που βασίζεται στον καταναλωτή, αλλά οι δυνατότητες είναι εκεί. Πρέπει απλώς να εργαστούμε για την υιοθεσία.