Κβαντικό τσιπάκι!

Πριν από τριάντα χρόνια, το 1981, όταν η ΙΒΜ παρουσίασε τον πρώτο της προσωπικό μικροϋπολογιστή, ο κόσμος μας μπήκε στη νέα εποχή της πληροφορικής. Εφέτος, όπως ίσως γράψει η Ιστορία, ο κόσμος περνάει σε εντελώς νέο κεφάλαιο, με την παρουσίαση του πρώτου κβαντικού υπολογιστή που μπορεί αντικαταστήσει τον PC.

Λογικά, μια τέτοια ανακοίνωση θα όφειλε να είναι η πρώτη είδηση παγκοσμίως. Ο κόσμος μας όμως δεν είναι πια εκείνος του 1981: Τότε ήταν ένας κόσμος διψασμένος για αλλαγή, γεμάτος όνειρα για ευημερία, ειρήνη, ανάπτυξη, ισότητα στις ευκαιρίες… Τώρα είναι ένας κόσμος κουρασμένος, προδομένος από την παγκοσμιοποίηση που του έφερε η εποχή της πληροφορικής. Και, σαν αντανάκλαση αυτού του συγκεχυμένου πλέον κόσμου, το άκουσμα ενός κβαντικού υπολογιστή για τον καθένα μας μοιάζει εξουθενωτικά χαοτική προοπτική. Τι σημαίνει «κβαντικός» υπολογιστής και γιατί μπορεί να είναι κάτι καλύτερο;

To καλοκαίρι που άρχισαν τα κβάντα να μετράνε
Πριν από τις ερμηνείες, ας δούμε τις ειδήσεις που χάραξαν την είσοδό μας στη νέα εποχή. Η πρώτη ήρθε στο ξεκίνημα του καλοκαιριού, την 1η Ιουνίου 2011, και μιλούσε για την πώληση του πρώτου εμπορικά διαθέσιμου κβαντικού υπολογιστή. Τον αγόρασε αντί 10 εκατ. δολαρίων η αμερικανική αμυντική βιομηχανία Lockheed Martin από την καναδέζικη D-Wave Systems. Ο κβαντικός αυτός υπολογιστής, ονόματι D-Wave One, δεν θυμίζει διόλου προσωπικό υπολογιστή: είναι ένας μαύρος κύβος πλευράς 33 μέτρων, που μάλλον θυμίζει τα mainframes της δεκαετίας του ’70. Ακόμη και ο τρόπος λειτουργίας του τα θυμίζει, καθώς δεν καταχωρίζει τα προγράμματά του στην ίδια μνήμη με εκείνη των δεδομένων _ όπως κάνουν όλοι οι PC _ και, μάλιστα, εργάζεται ως «βοηθός» ενός κανονικού υπολογιστή. Αλλά τότε γιατί έδωσε όλα αυτά τα εκατομμύρια η Lockheed; Διότι μπορεί να κάνει κάτι που δεν μπορεί κανένας συμβατικός υπολογιστής: παρακολουθεί τη λειτουργία λογισμικού και υλικού στον συμβατικό, μαθαίνει από το ιστορικό αυτής της λειτουργίας και προβλέπει το τι είδους δυσλειτουργία μπορεί να συμβεί.

Το πώς το καταφέρνει αυτό είναι μια ξεχωριστή ιστορία, αλλά για την Ιστορία ας κρατήσουμε το ότι ο πρώτος αυτός κβαντικός υπολογιστής του εμπορίου έχει επεξεργαστή με 128 βρόγχους από κράμα νιοβίου, όπου «ζουν» 128 qubits (quantum bits ή κιούμπιτς), δηλαδή 128 μονάδες κβαντικής πληροφορίας. Το νιόβιο είναι ένα υλικό που μετατρέπεται σε υπεραγωγό όταν ψυχθεί κοντά στο απόλυτο μηδέν και, συνήθως, το συναντά κανείς στους μαγνήτες των μαγνητικών τομογράφων (MRI). Στον D-Wave One, οι βρόγχοι νιοβίου συνδέονται μεταξύ τους _ επίσης με κράμα νιοβίου _ προκειμένου να ελέγχεται η τυχόν μαγνητική επίδραση του ενός qubit στο άλλο. Για την εκτέλεση ενός υπολογισμού, τα μαγνητικά πεδία χρησιμοποιούνται προκειμένου να θέσουν τα qubits σε συγκεκριμένες καταστάσεις (ανοιχτό – κλειστό) και, μετά, για να μετρήσουν τις τελικές τιμές τους.

Από το «τέρας» στο «τσιπάκι»
Ακριβώς στη λήξη του καλοκαιριού, την 1η Σεπτεμβρίου 2011, στο διαδικτυακό περιoδικό Science Express δημοσιεύθηκε η εργασία «Implementing the Quantum von Neumann Architecture with Superconducting Circuits» του ιταλού μεταδιδακτορικού ερευνητή Matteo Mariantoni. Περιέγραφε έναν κβαντικό υπολογιστή που είχε υλοποιηθεί στο Πανεπιστήμιο της Kαλιφόρνιας-Santa Barbara, υπό την επίβλεψη των καθηγητών Φυσικής Andrew N. Cleland και Γιάννη M. Μαρτίνη. Ηταν ολότελα διαφορετικός από το «τέρας» της D-Wave, καθώς είχε εμφάνιση και διαστάσεις ενός μικροεπεξεργαστή! Ακόμη περισσότερο, είχε και την αρχιτεκτονική ενός τέτοιου συμβατικού υπολογιστή _ τη λεγόμενη αρχιτεκτονική von Neumann _, καθ’ ότι ενσωμάτωνε την κεντρική μονάδα κβαντικής επεξεργασίας (quCPU) με τη μονάδα κβαντικής μνήμης (quRAM). Πώς τα είχαν καταφέρει;

Οπως εξήγησε αφοπλιστικά σε συνέντευξή του ο Μαριαντόνι, αντί να δομήσουν πανάκριβα «κλουβιά» για τα qubits του, έβαλαν «θάλασσες από ηλεκτρόνια» να παίξουν αυτόν τον ρόλο, μέσα σε κουτάκια πυριτίου. Βέβαια, για να αποκόψουν κάθε «θόρυβο» που θα αποπροσανατόλιζε τα ηλεκτρόνια, αναγκάστηκαν και αυτοί να καταψύξουν τα κυκλώματα. Αυτή είναι μια κατασκευαστική λεπτομέρεια που απομακρύνει το όνειρο της μαζικής παραγωγής, αλλά ο Μαριαντόνι προσδοκά ότι οι βιομηχανίες μικροεπεξεργαστών θα σπεύσουν να χρηματοδοτήσουν την περαιτέρω έρευνα, ώστε να λυθεί το πρόβλημα σύντομα. Αλλωστε, αν θυμηθούμε ότι από την ανακάλυψη του τρανζίστορ (1947) ως το πρώτο εμπορικά διαθέσιμο τρανζίστορ πυριτίου (1954) μεσολάβησαν επτά χρόνια, με τον τωρινό εκθετικό ρυθμό προόδου δεν αποκλείεται να δούμε τέτοια κβαντικά τσιπάκια στα καταστήματα ως το 2015!

ΓΙΑΤΙ ΥΠΕΡΕΧΟΥΝ ΤΑ QUBITS

Η προλεγόμενη «κβαντική εποχή της πληροφορικής» έχει βεβαίως τις ρίζες της στον ορισμό των κβάντων από τον Μαξ Πλανκ και τη μετέπειτα ρεαλιστική εξειδίκευσή τους στα φωτόνια από τον Αϊνστάιν (το 1905). Ωστόσο εκείνος που πρώτος «είδε» την αξιοποίηση των κβάντων στους υπολογισμούς ήταν ο φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν (Richard Feynman): το 1982 προσπαθούσε να προσομοιώσει απευθείας τις κβαντικές ιδιότητες των σωματιδίων _ και όχι μέσω μαθηματικών προσεγγίσεων. Ωστόσο οι ψευδοτυχαίες ακολουθίες αριθμών που του έδιναν οι υπολογιστές δεν επαρκούσαν για τον σκοπό του. Ετσι ο Φάινμαν κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι συμβατικοί υπολογιστές, όση μνήμη και αν αποκτούσαν, θα παρέμεναν ανεπαρκείς. Ο μόνος τρόπος να συλλάβει κανείς την εγγενή πιθανοτική φύση των κβάντων _ δήλωσε _ θα ήταν να χρησιμοποιήσει έναν υπολογιστή με μονάδες πληροφορίας που θα ήταν και εκείνες κβάντα.

Ας δούμε λοιπόν σε τι διαφέρουν οι συμβατικές από τις κβαντικές μονάδες πληροφορίας. Στον υπολογιστή μας, τα λεγόμενα δυαδικά ψηφία (bits) δεν είναι παρά διακόπτες που είτε είναι ανοιχτοί ή κλειστοί. Εχουν δηλαδή δύο άκρως διακριτές καταστάσεις, σε έναν κόσμο άμεσα κατανοητό και αντιληπτό από εμάς, τους ανθρώπους. Σε έναν κβαντικό υπολογιστή όμως οι κβαντικές μονάδες πληροφορίας, τα qubits, λειτουργούν σαν να ζουν σε… παράλληλα σύμπαντα. Δηλαδή την ίδια στιγμή μπορούν να έχουν και τις δύο τιμές (ανοιχτό/κλειστό, αληθές/ψευδές, ναι/όχι, +/-). Το ποια είναι η μετρήσιμη τιμή τους προκύπτει μόνο όταν δράσουμε πάνω τους (μέτρηση), οπότε λαμβάνουν μία από τις δύο τιμές (κατάσταση υπέρθεσης).

Η δεύτερη πολύ σημαντική ιδιότητα των κβάντων είναι η «πεπλεγμένη αλληλεπίδραση» (entanglement). Δηλαδή, μπορούμε να εξαναγκάσουμε κάποια από αυτά να λειτουργούν ως… φάλαγγα και να παίρνουν τις ίδιες τιμές, μολονότι βρίσκονται χώρια. Οπότε, αν επιδράσουμε σε ένα από αυτά τα πεπλεγμένα κβάντα, επηρεάζονται και όλα τα ταίρια τους.

Οι δύο προαναφερθείσες ιδιότητες των κβάντων αρκούν για να κάνουν μια κολοσσιαία διαφορά στις δυνατότητες υπολογισμών με αυτά. Για παράδειγμα, εκεί που 100 bits μετρούν 100 κομμάτια πληροφορίας ανά στιγμή, τα 100 qubits μετρούν 2 στην 100ή κομμάτια πληροφορίας, πράγμα που ισοδυναμεί περίπου με το 10 ακολουθούμενο από 30 μηδενικά!

Αντιλαμβάνεστε λοιπόν τώρα την πραγματική επεξεργαστική ισχύ που κρύβουν τα 128 qubits του υπολογιστή που αγόρασε η Lockheed. Και… αν δεν ζαλίζεστε εύκολα, θυμηθείτε πρώτα ότι o ταπεινός σας PC έχει σήμερα μνήμη κατ’ ελάχιστον 8 δισ. bits (1 GByte), και αναλογιστείτε έπειτα τι θα κάνει αύριο με 8 δισ. qubits!