Ακόμη κι αν λειτουργούσε από την αρχή του Σύμπαντος (πριν 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια), ο ισχυρότερος υπερυπολογιστής του κόσμου ακόμη θα πάσχιζε να λύσει ορισμένα δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα. Ο νέος κβαντικός υπολογιστής της Google, o Willow, έλυσε ένα από αυτά σε μόλις πέντε λεπτά. Ήταν ένα σημαντικό βήμα μπροστά, το συγκεκριμένο πρόβλημα, ωστόσο, ήταν μαθηματικού χαρακτήρα. Δεν αφορούσε κάποια πρακτική εφαρμογή.

Η Google -όπως και πληθώρα άλλων εταιριών και οργανισμών στον πλανήτη- εργάζονται για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών, που θα είναι αφενός εξαιρετικά ταχύτεροι (θα εκτελούν τρισεκατομμύρια υπολογισμούς το δευτερόλεπτο), πιο αποτελεσματικοί και πιο ακριβείς απ’ ό,τι αν δούλευαν όλοι οι συμβατικοί υπολογιστές του πλανήτη μαζί· και αφετέρου χρήσιμοι σε πραγματικές εφαρμογές.

Όταν η τεχνολογία ωριμάσει, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μεταμορφώσουν διάφορους τομείς. Θα μπορούν π.χ. να προσομοιώσουν μόρια και πρωτεΐνες, πολύ πιο γρήγορα από τους σημερινούς υπολογιστές, επιτρέποντας την ταχύτερη ανάπτυξη νέων φαρμάκων.

Επιπλέον, θα συντελέσουν στην ανάπτυξη εντυπωσιακά αποδοτικότερων μπαταριών για ηλεκτρικά αυτοκίνητα και νέων υλικών για ηλιακές κυψέλες, συμβάλλοντας έτσι στην επιβράδυνση της κλιματικής αλλαγής. Στον τομέα της ενέργειας, μπορούν να συνδράμουν στην επίλυση πολύπλοκων υπολογισμών, προκειμένου να τιθασευτεί η ενέργεια που θα προέρχεται από τη σύντηξη, αυτήν που χρησιμοποιεί ο ήλιος – πράγμα ακόμη ακατόρθωτο. Ενέργεια άφθονη και φθηνή.

Στον τομέα της Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ), επίσης, η χρήση των κβαντικών υπολογιστών είναι κομβική, καθώς είναι σε θέση να παρέχουν στα συστήματα ΤΝ πρόσβαση σε όγκους δεδομένων, αδιανόητους για τους συμβατικούς υπολογιστές, βελτιστοποιώντας έτσι τις διαδικασίες μηχανικής μάθησης και την ανάπτυξη πιο προηγμένων συστημάτων ΤΝ.

Και, τέλος, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να «ρίξουν» το Ίντερνετ και το χρηματοπιστωτικό σύστημα, αποκρυπτογραφώντας τους μέχρι σήμερα απαραβίαστους κωδικούς μας, σε ελάχιστα λεπτά. Όπως ακριβώς έλυσαν αυτό το άλυτο μέχρι τώρα πρόβλημα σε πέντε λεπτά.

Είναι φανερό το γιατί ιδιωτικές εταιρείες και κυβερνήσεις επενδύουν τεράστια ποσά για να κόψουν το νήμα πρώτες, σε μία κούρσα που είναι τελικά σημαντικότερη, ακόμη και από εκείνη των εξοπλισμών.

Qubits, αυτά τα ευαίσθητα

Πώς τα καταφέρνουν αυτά οι κβαντικοί υπολογιστές; Σε αντίθεση με τους συμβατικούς υπολογιστές, οι οποίοι έχουν ως βασική μονάδα πληροφορίας το bit, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν το κβαντικό bit ή qubit. Το bit μπορεί να πάρει μόνο τις τιμές 0 ή 1 —σαν ένας διακόπτης που μπορεί να είναι OΝ ή OFF. Τα qubit, ωστόσο, μπορεί να είναι ταυτόχρονα ένας συνδυασμός του 0 και του 1. Μπορείτε να το φανταστείτε σαν ένα κέρμα που στριφογυρίζει στο τραπέζι: μέχρι να πάψει να γυρίζει είναι ταυτόχρονα και 0 και 1. Και αν αυτό φαίνεται παράδοξο, έως αδιανόητο, συμβαίνει γιατί αξιοποιεί τις ιδιότητες της ύλης στο επίπεδο των υποατομικών σωματιδίων, εκεί όπου κυβερνά η κβαντική θεωρία. Στο κβαντικό σύμπαν του απείρως μικρού συμβαίνουν αλλόκοτα και ανεξήγητα πράγματα• πρόκειται ωστόσο για την καλύτερα πειραματικά επιβεβαιωμένη θεωρία στη φύση.

Αυτή τους η ικανότητα επιτρέπει στους κβαντικούς υπολογιστές να επεξεργάζονται ταυτόχρονα τεράστιες ποσότητες δεδομένων (ας πούμε πολλά μονοπάτια λύσεων), αυξάνοντας εκθετικά την υπολογιστική τους ισχύ σε σύγκριση με τους κλασικούς υπολογιστές. Υπάρχουν μάλιστα θεωρίες, όπως αυτή του φυσικού David Deutsch, που υποστηρίζουν ότι οι κβαντικοί υπολογισμοί γίνονται σε παράλληλα σύμπαντα — κάτι όχι εντελώς απίθανο, αλλά μάλλον για εμάς αδιανόητο.

Η απορία είναι εύλογη: Γιατί έως τώρα δεν έχουμε φτιάξει κβαντικούς υπολογιστές; Η απάντηση είναι ότι η φύση δε χαρίζει τα μυστικά της. Πρέπει να σκάψουμε πολύ βαθιά για να τα ανακαλύψουμε και να τα ζέψουμε σε πρακτικές εφαρμογές.

Οι κβαντικοί υπολογιστές απαιτούν πολύ ιδιαίτερες συνθήκες για να λειτουργήσουν: θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από εκείνες του διαστήματος, πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273℃). Απαιτούν δηλαδή περίπλοκες ψυκτικές διατάξεις, καθώς και απομόνωση από το εξωτερικό περιβάλλον, επειδή είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι στον θόρυβο κάθε είδους (θερμικό, ακτινοβολίας, περιβάλλοντος), εξαιτίας του οποίου μπορεί να κάνουν λάθη, που πρέπει να διορθωθούν από ειδικό software και hardware. Επίσης, είναι πολύ δύσκολο να προστεθούν qubits, προκειμένου να αυξηθεί η υπολογιστική τους ισχύς σε πρακτικά επίπεδα. Τα κβαντικά τσιπ έχουν συνήθως 50 έως μερικές εκατοντάδες qubits. O υπολογιστής Willow, που αναφέρθηκε παραπάνω, έχει 105 qubits. Ο απώτερος στόχος είναι το 1 εκατομμύριο qubits. Ένας κβαντικός υπολογιστής 1 εκατομμυρίου qubits δεν είναι απλώς ένα συμβολικό ορόσημο —είναι μια πύλη για την επίλυση μερικών από τα πιο δύσκολα προβλήματα της φύσης. «Ό,τι κι αν κάνεις στον κβαντικό χώρο, πρέπει να έχει έναν οδικό χάρτη προς το 1 εκατομμύριο qubits. Αν δεν το προβλέψεις, θα χτυπήσεις τοίχο, προτού φτάσεις στην κλίμακα, στην οποία μπορείς να λύσεις τα πραγματικά σημαντικά προβλήματα που μας καίνε», έχει πει ο Dr. Chetan Nayak, υπεύθυνος κβαντικών συστημάτων της Microsoft.

Enter Majorana

Η αστάθεια των qubits στα κβαντικά συστήματα απαιτεί από τους υπολογιστές αυτούς να ξοδεύουν τόσους πολλούς πόρους για τη διόρθωση σφαλμάτων, ώστε ο αριθμός των αξιόπιστων qubits να μην επαρκεί για υπολογισμούς μεγάλης κλίμακας. H Microsoft ανακοίνωσε πρόσφατα ότι βρήκε μία επαναστατική λύση στο πρόβλημα. Προς αυτήν τη λύση εργάζεται εδώ και περίπου 20 χρόνια. Πρόκειται για το πιο μακρόβιο πρότζεκτ της. Παρουσίασε ένα τσιπ, το Majorana 1, το οποίο σήμερα διαθέτει μόνον οκτώ qubits, αλλά μπορεί να χωρέσει 1 εκατομμύριο qubits, τη στιγμή που το ρεκόρ σήμερα το έχει η IBM με 1.121 qubits.

Για να φτάσει σε αυτό το αποτέλεσμα, η Microsoft έπρεπε να κυνηγήσει και να αιχμαλωτίσει μία νέα εξωτική κατάσταση της ύλης (πέρα από τις γνωστές στερεό, υγρό, αέριο): Τα φευγαλέα υποατομικά σωματίδια Majorana, τα οποία είχε προβλέψει ο ιταλός φυσικός Ettore Majorana έναν αιώνα πριν. Και να φτιάξει μία καινούργια «πλεγμένη» δομή από qubit, που αποκαλεί τοπολογικά qubits, προκειμένου αυτά τα σωματίδια να είναι πιο σταθερά: να μην επηρεάζονται τόσο από τον θόρυβο κάθε είδους και να μπορούν να συγκρατούν την κβαντική πληροφορία για περισσότερο χρόνο. «Κάναμε ένα βήμα πίσω και είπαμε: »Εντάξει, ας εφεύρουμε το τρανζίστορ της κβαντικής εποχής. Τι ιδιότητες θα έπρεπε να έχει;»», είπε ένας ερευνητής. Και έφτιαξαν αυτή τη δομή κυριολεκτικά από το μηδέν: «[Φτιάχνοντας τα υλικά] ψεκάζουμε κυριολεκτικά άτομο προς άτομο. Αυτά τα υλικά πρέπει να ευθυγραμμιστούν τέλεια. Αν υπάρχουν πολλά ελαττώματα στη στοίβα των υλικών, τότε απλά το qubit πεθαίνει».

Ναι, αλλά πότε;

Η Microsoft δείχνει να έχει πετύχει τον στόχο της –δημοσίευσε μάλιστα σχετική εργασία στο περιοδικό Nature, όπου παραθέτει οδικό χάρτη για την εξέλιξη του Majorana. «Έχουμε πράγματι επεξεργαστεί μια διαδρομή προς το 1 εκατομμύριο», δήλωσε ο Nayak. Θα πρέπει, ωστόσο, να περιμένουμε μέχρι την τελική ετυμηγορία, όταν θα έχουν ξεπεραστεί τα εμπόδια που περιγράφονται στον οδικό χάρτη. «Ένα ερευνητικό έργο είναι ένα πράγμα, αλλά η δημιουργία ενός οικονομικά αποδοτικού συστήματος, το οποίο οι άνθρωποι μπορούν να αξιοποιήσουν οικονομικά, είναι μια διαφορετική μάχη», δήλωσε ένας αναλυτής που παρακολουθεί την τεχνολογία.

Η εταιρεία έχει ήδη σχεδιάσει πώς θα αξιοποιήσει εμπορικά το Majorana. Θα το συνδέσει στο υπολογιστικό της σύννεφο, το Azure Cloud. Ένας συμβατικός υπολογιστής θα αποφασίζει για κάθε πρόβλημα, αν ο κβαντικός του ομόλογος μπορεί να το επιλύσει καλύτερα, θα του το αναθέτει και μετά θα συνθέτει το τελικό αποτέλεσμα.

Τον Ιανουάριο, ο Jensen Huang, CEO της Nvidia, προέβλεψε ότι οι πρακτικοί κβαντικοί υπολογιστές απέχουν περίπου 20 χρόνια. Αλλά, όπως είπε ο Nayak, στην παρουσίαση του Majorana 1: «Με αυτή μας την τεχνολογία, η υλοποίηση αξιοποιήσιμων κβαντικών υπολογιστών απέχει πια μερικά χρόνια, όχι δεκαετίες».

Όταν αυτό συμβεί, θα δούμε πρωτόγνωρα πράγματα. Και σίγουρα πολύ επικίνδυνα, αν δεν εφαρμοστούν δικλείδες ασφαλείας. Οι οποίες πρέπει να σχεδιαστούν από σήμερα. Αυτό, ωστόσο, συνήθως δε συμβαίνει.