«Ο αντίκτυπος της τεχνολογίας αυτής θα είναι ισχυρότερος από οποιασδήποτε άλλης ως σήμερα». Πόσες φορές έχετε ακούσει τη συγκεκριμένη διαβεβαίωση στα τριάντα και κάτι χρόνια της ψηφιακής εποχής; Κάθε είδους διακινητές ιδεών και εφαρμογών, από τους πρωτοπόρους του Διαδικτύου ως τους ευαγγελιστές της τεχνητής νοημοσύνης, έχουν κατά καιρούς εξαγγείλει ένα μέλλον ριζικά διαφορετικό από το εκάστοτε σήμερα διαμορφωμένο από την τεχνολογία αιχμής της στιγμής. Παρ’ όλα αυτά, μία από τις πιο πρόσφατες επαναλήψεις της, αυτή του Τζέρεμι Ο’ Μπράιεν, διευθύνοντος συμβούλου της νεοφυούς επιχείρησης PsiQuantum, στον «New Yorker» τον περασμένο Δεκέμβριο, όντως έχει όλες τις προϋποθέσεις να αποδειχθεί ακριβής. Σιωπηρά, η τεχνολογία των κβαντικών υπολογιστών έχει ξεπεράσει πλέον τα σπάργανα και βρίσκεται σε ένα ενδιάμεσο στάδιο μεταξύ ερευνητικής επεξεργασίας και επιχειρηματικής εκμετάλλευσης. IBM, Google, Amazon, λεγεώνες startups και όλες οι κυβερνήσεις του ανεπτυγμένου κόσμου επιχορηγούν προγράμματα προκειμένου να εκμεταλλευθούν μία από τις πιο εντυπωσιακές και παράδοξες ανακαλύψεις της Φυσικής του 20ού αιώνα ώστε να δημιουργήσουν υπολογιστές αφάνταστης ισχύος, ικανούς να πραγματώσουν την επόμενη βιομηχανική επανάσταση.

Τα εργαστήρια της Google AI Quantum στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνιας.

Η Κβαντική Φυσική ως μελέτη των υποατομικών δομών θεμελιώθηκε από τον Αλμπερτ Αϊνστάιν πριν ακόμη από τη θεωρία της σχετικότητας, όταν διαπίστωσε ότι το φως εκπέμπεται σε συγκεκριμένα πακέτα ενέργειας («quanta»), άλλοτε συμπεριφερόμενο ως κύμα και άλλοτε ως σωματίδιο. Στην πορεία αποκαλύφθηκε ότι ο μικρόκοσμος χαρακτηρίζεται από πλήθος γοητευτικές παραδοξότητες που αντιτίθενται σε διάφορες παραδοχές μας για τον μακρόκοσμο. Κατά τον Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, για παράδειγμα, δεν μπορούμε την ίδια στιγμή να μετρήσουμε με ακρίβεια τα θεμελιώδη μεγέθη των σωματιδίων, τη θέση και την ταχύτητά τους, πρόταση που συνοψίζει αδρά την «αρχή της αβεβαιότητας». Σύμφωνα με τον Ερβιν Σρέντινγκερ, ένα κβαντικό σύστημα διατηρεί όλες τις πιθανές του καταστάσεις ταυτόχρονα έως ότου το ελέγξει ο ερευνητής, οπότε η κυματοσυνάρτηση «καταρρέει» σε αυτό που βλέπει – ο παρατηρητής επομένως επηρεάζει τα δεδομένα του πειράματος. Πιο εντυπωσιακό ίσως από όλα είναι το φαινόμενο της «κβαντικής διεμπλοκής», όπου δύο υποατομικά σωματίδια που δημιουργούνται μαζί και έπειτα χωρίζονται εξακολουθούν να αλληλεπιδρούν άμεσα, ανεξάρτητα από την απόστασή τους – αν, για παράδειγμα, μετρηθεί μια τιμή για το ένα, ακαριαία το άλλο λαμβάνει την αντίθετη, όσο μακριά και αν είναι. Η πληροφορία σε αυτή την περίπτωση μοιάζει να υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός, την οποία η θεωρία της σχετικότητας θέτει ως απόλυτο όριο μετάδοσης στον χώρο. Παρόμοιες φαινομενικές αντιφάσεις έκαναν τον Αϊνστάιν να υποπτεύεται την κβαντική θεωρία ως «ημιτελή» και να επιχειρεί ως το τέλος της ζωής του, παρά την επανειλημμένη πειραματική επιβεβαίωση των δεδομένων, είτε να αμφισβητήσει την ισχύ της είτε να την εντάξει από κοινού με τη σχετικότητα σε μια «ενοποιημένη θεωρία πεδίου». Αλλοι κορυφαίοι φυσικοί, ωστόσο, υπήρξαν πολύ λιγότερο απρόθυμοι να αποδεχθούν τον θαυμαστό καινούργιο κόσμο.

Ο Sycamore, o Osprey και τα θορυβώδη qubits

Ο αμερικανός νομπελίστας Ρίτσαρντ Φάινμαν ήταν εκείνος που τo 1982 πρότεινε πρώτος την εκμετάλλευση των παράξενων ιδιοτήτων των κβάντων για την κατασκευή ενός υπολογιστή του οποίου οι δυνατότητες θα άφηναν πίσω τους παρασάγγας και σταδίους εκείνους της Σίλικον Βάλεϊ. Με τους συμβατικούς υπολογιστές τα πράγματα είναι σχετικά απλά. Οι ακολουθίες δεδομένων κατανέμονται σε ατέρμονες διαδοχές του 0 και του 1 – ή σε μια λειτουργία διακόπτη με δύο θέσεις: ανοιχτό και κλειστό. Αυτή η βασική μονάδα λέγεται bit· 8 bits κάνουν ένα byte – τα πολλαπλάσιά του είναι τα γνωστά μας kilobytes, megabytes, gigabytes και ούτω καθεξής. Για τους κβαντικούς υπολογιστές τα bits είναι πολύ πεζά. Υποτάσσοντας τα υποατομικά σωματίδια διαμορφώνουν τα λεγόμενα qubits, τα οποία εξαιτίας ακριβώς της ενδιάμεσης κατάστασής τους ως κβάντων (ούτε 0 ούτε 1, αλλά και τα δύο ταυτόχρονα) ξεπερνούν τη δυαδική επεξεργασία κατά ασύλληπτες τάξεις μεγεθών. Τι ακριβώς σημαίνει αυτό; Γράφοντας στον «New Yorker» τον Δεκέμβριο του 2022, ο Στίβεν Γουίτ σημείωνε ότι ο ταχύτερος σημερινός υπολογιστής θα χρειαζόταν μερικά εκατομμύρια χρόνια για να αποκρυπτογραφήσει τα κρυπτογραφικά κλειδιά με τα οποία διασφαλίζεται το απόρρητο των δικτυακών επικοινωνιών και των οικονομικών συναλλαγών. Ενας λειτουργικός κβαντικός υπολογιστής θα ξεμπέρδευε με αυτό το έργο σε περίπου 24 ώρες.

Στην παραπάνω πρόταση η έμφαση είναι στο «λειτουργικός». Επισκεπτόμενος τα εργαστήρια της Google AI Quantum στη Σάντα Μπάρμπαρα, ο Στίβεν Γουίτ είδε «έναν μηχανισμό με το μέγεθος και το σχήμα πολυελαίου αίθουσας χορού που κρεμόταν από μια μεταλλική σκαλωσιά· δεμάτια καλωδίων κατέβαιναν και συνδέονταν μέσω μιας σειράς επίχρυσων δίσκων με έναν επεξεργαστή». Προφανώς κάτι τέτοιο απέχει έτη φωτός από τους υπολογιστές της καθημερινότητάς μας. Επιπλέον, ο Sycamore, όπως ονομάζεται ο συγκεκριμένος, είναι «θορυβώδης»: ο τεχνικός όρος σημαίνει ότι η αστάθεια των κβαντικών φαινομένων παράγει τακτικά λάθη – περίπου 1 κάθε 1.000 βήματα. Μπορεί εκ πρώτης όψεως το νούμερο να μοιάζει μικρό, όμως επιστημονικές και βιομηχανικές διαδικασίες όπως επαληθεύσεις πειραμάτων, συνθέσεις συνδυασμών φαρμάκων ή κρυπταναλύσεις απαιτούν δεκάδες χιλιάδες επαναλήψεις προκειμένου να τεκμηριωθούν τα αποτελέσματα, επομένως ο αριθμός των λαθών θα εκτινασσόταν. Το πόσο περίπλοκη και δύσκολη είναι η ανάπτυξη ενός τέτοιου μηχανήματος φαίνεται από το σχόλιο του καθηγητή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του Πανεπιστημίου ΜΙΤ, Πίτερ Σορ, επινοητή ενός αλγορίθμου τόσο ισχυρού ώστε η πλήρης εκτέλεσή του θα μπορούσε να σπάσει τα κρυπτογραφικά κλειδιά του Διαδικτύου. Το 2001 η IBM δοκίμασε να τον «τρέξει» σε έναν πρωτόγονο κβαντικό υπολογιστή: «Νομίζω ότι το μηχάνημα εκείνο κόστισε περίπου 500.000 δολάρια και μας πληροφόρησε ότι το 15 ισούται με 5 επί τρία» είπε ο Σορ στον Στίβεν Γουίτ.

Η αίσθηση ωστόσο είναι ότι οι δυσκολίες δεν είναι ανυπέρβλητες. Από το 2019 η IBM έχει θέσει σε λειτουργία τον πρώτο εμπορικό κβαντικό υπολογιστή και συνεργάζεται με εταιρείες όπως η Boeing για τον σχεδιασμό νέων υλικών για την επόμενη γενιά αεροσκαφών της. Τον Νοέμβριο του 2022 η εταιρεία παρουσίασε τον Osprey, έναν κβαντικό επεξεργαστή 433 qubits, τον ισχυρότερο ως σήμερα. Εντός του 2023 προγραμματίζουν να τον αυξήσουν ως τα 1.121 qubits, ενώ το 2025 ως τα 4.000. H Google, σύμφωνα με τον ιδρυτή του εργαστηρίου AI Quantum, Χάρτμουτ Νέβεν, προβλέπει μέσα στο 2023 να κατορθώσει την παραγωγή ανθεκτικών σε λάθη, μη «θορυβωδών» qubits. Η Amazon έχει ανοίξει το δικό της εργαστήριο με τη συνεργασία του διάσημου Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας (CalTech). H Microsoft έχει εμπλακεί σε ένα τόσο φιλόδοξο πρόγραμμα το οποίο απαιτεί τη σύνθεση ενός σωματιδίου που λανθάνει ακόμη. Στον χώρο δραστηριοποιούνται 600 εταιρείες που διακηρύττουν ότι θα συλλάβουν ιόντα, θα παγιδεύσουν φωτόνια και θα κάνουν πλήθος άλλα ακροβατικά της Φυσικής προκειμένου να καταλήξουν στη βέλτιστη μέθοδο αρχιτεκτονικής ενός κβαντικού υπολογιστή. Αν και η διάδοση της εμπορικής χρήσης τους απέχει ίσως και περισσότερο από μία δεκαετία, όπως επισημαίνει ο Στίβεν Γουίτ, η κβαντική επανάσταση είναι επί θύραις. «Πιστεύω ότι οι καινοτομίες που θα πετύχουμε τα επόμενα πέντε χρόνια θα είναι περισσότερες από όσες τα προηγούμενα τριάντα» έλεγε στο περιοδικό «Time» τον περασμένο Φεβρουάριο ο Τζέι Γκαμπέτα, αντιπρόεδρος του οικείου τμήματος της IBM.

Συμπόσιο κβαντικής τεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ το 2016. Διακρίνονται από αριστερά οι καθηγητές Στίβεν Μπάρτλετ, Άντριου Τζούρακ, Λου Τσάο-Γιανγκ και Φρανκ Σμιθ.

Ο «Υ2Q» και η «θεωρία των πάντων»

Το τοπίο κινείται και υπάρχουν αποχρώντες λόγοι γι’ αυτό. Ενας είναι η πρωτοκαθεδρία. Οπως στην περίπτωση κάθε ευαίσθητης τεχνολογίας αιχμής, διεξάγεται ένας ιδιότυπος αγώνας δρόμου. Στοιχεία του Παγκόσμιου Οικονομικού Φόρουμ δείχνουν ότι πέρυσι στη συγκεκριμένη τεχνολογία επενδύθηκαν 30 δισ. δολάρια παγκοσμίως, τα 15 από αυτά από την Κίνα και τα 7,5 από την Ευρωπαϊκή Ενωση. Οι Ηνωμένες Πολιτείες μπορεί να διέθεσαν μόλις 1,2 δισ. δολάρια μέσω κρατικών φορέων, όμως ο Τζο Μπάιντεν δήλωσε τον Οκτώβριο του 2022 ότι πρόκειται για έναν τομέα «ζωτικό για την οικονομία μας και εξίσου σημαντικό για την εθνική μας ασφάλεια». Στις ΗΠΑ οι υπαινιγμοί περί εθνικής ασφάλειας είθισται πλέον να αφορούν την Κίνα. Το 2020 μια ομάδα επιστημόνων του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας υπό τους Λου Τσάο-Γιανγκ και Παν Τζιάν-Γουέι ανακοίνωσε ότι ο κβαντικός υπολογιστής τους είχε επιτελέσει μια εργασία εκατομμύρια φορές γρηγορότερα από τον ταχύτερο συμβατικό υπολογιστή. Ο Τσάρλι Κάμπελ έγραφε στο «Time» τον περασμένο Φεβρουάριο ότι κινεζική μελέτη από τον Δεκέμβριο του 2022 υποστήριζε πως οι συγγραφείς της είχαν εξελίξει έναν κβαντικό αλγόριθμο που θα μπορούσε να σπάσει τον κρυπτογραφικό κώδικα του Διαδικτύου με έναν υπολογιστή μόλις 372 qubits. Αντιγράφοντας τον «Υ2Κ», τον «ιό της χιλιετίας» που υποτίθεται ότι θα απορρύθμιζε τα απαρχαιωμένα συστήματα τα οποία θα αδυνατούσαν να αναγνωρίσουν τη μετατροπή του 1999 σε 2000, οι ειδικοί επί ζητημάτων ασφαλείας κάνουν λόγο για επερχόμενο «Y2Q» – τον κίνδυνο απογύμνωσης όλων των προσωπικών, οικονομικών ή κρατικών δεδομένων παγκοσμίως, αν οι αντίστοιχες διαδικτυακές δομές δεν θωρακιστούν πριν από την έλευση των κβαντικών υπολογιστών.

Ο δεύτερος, επομένως, λόγος για τις επενδύσεις στον κλάδο είναι το κέρδος. Μόνο από την εφαρμογή νέων πρωτοκόλλων κυβερνοασφάλειας εκτιμάται ότι θα προκύψει μια αγορά 1 τρισ. δολαρίων. Και πιθανώς αυτή να είναι μόνο σταγόνα στον κβαντικό ωκεανό αν οι προβλέψεις για τις βιομηχανικές χρήσεις επαληθευτούν. Ο Στίβεν Γουίτ ανέφερε ενδεικτικά ότι θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να επισπεύσουν τις σημερινές αργές τεχνικές δοκιμής και πλάνης για τη σύνθεση κοκτέιλ φαρμάκων, να βελτιώσουν τις τεχνικές παραγωγής αμμωνίας για γεωργική χρήση μειώνοντας σημαντικά τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, να οδηγήσουν στην ανάπτυξη βιοδιασπώμενων πλαστικών και ούτω καθεξής. «Εχουμε βάσιμους λόγους να πιστεύουμε ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να προσομοιώσει αποτελεσματικά κάθε διαδικασία που συμβαίνει στη φύση» σημείωνε στον «New Yorker» ο καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας Τζον Πρέσκιλ. Στο τέλος αυτής τη διαδρομής οι ομόλογοί του ονειρεύονται τη συμφιλίωση των κομψών εξισώσεων του Αϊνστάιν με την άναρχη εικόνα της κβαντομηχανικής – τη διατύπωση δηλαδή της περίφημης «θεωρίας των πάντων» που θα μας επιτρέψει κατά τη διάσημη ρήση του Στίβεν Χόκινγκ «να διαβάσουμε το μυαλό του Θεού».

Κάθε τεχνολογία, όμως, φέρει και το δικό της ρίσκο. Οι πρόσφατες συζητήσεις γύρω από την τεχνητή νοημοσύνη ανέδειξαν και τις ανησυχίες για την πιθανότητα απώλειας του ελέγχου πάνω της και των δυνητικών δεινών συνεπειών για το ανθρώπινο είδος. Ο Τσάρλι Κάμπελ σημείωνε στο «Time» ότι ένας παράγοντας που προκαλεί το δέος ως προς τους κβαντικούς υπολογιστές είναι η αδυναμία επαλήθευσης των αποτελεσμάτων τους. Οσο πολύπλοκοι κι αν είναι οι συμβατικοί, τα δικά τους γινόμενα μπορούν να επιβεβαιωθούν, αν χρειαστεί, με χρονοβόρα προσφυγή σε μολύβι και χαρτί. Τα προβλήματα, όμως, και τα μεγέθη με τα οποία αναμένεται να επιφορτιστούν οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι τέτοιας τάξης που τα πορίσματά τους θα είναι αδύνατο να διασταυρωθούν από άλλη πηγή. Θεωρητικά, η πιστότητα των συστημάτων θα έχει τεκμηριωθεί σε προγενέστερα στάδια. Αλλά είναι ειρωνικό ότι η αποδοχή του απαυγάσματος της ανθρώπινης επιστήμης ενδέχεται τελικά να απαιτήσει την προσφυγή στην πίστη.