Οι κβαντικοί υπολογιστές θα ξεπεράσουν μια μέρα τους ταχύτερους υπερυπολογιστές στον πλανήτη, αλλά τι θα χρησιμοποιηθούν για να επιτύχουν;
Οι εταιρείες τεχνολογίας ρίχνουν δισεκατομμύρια δολάρια στον κβαντικό υπολογισμό, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία απέχει ακόμη χρόνια από τις πρακτικές εφαρμογές. Σε τι θα χρησιμοποιούνται λοιπόν οι μελλοντικοί κβαντικοί υπολογιστές και γιατί τόσοι πολλοί ειδικοί είναι πεπεισμένοι ότι θα αλλάξουν το παιχνίδι;
Η κατασκευή ενός υπολογιστή που αξιοποιεί τις ασυνήθιστες ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής είναι μια ιδέα που βρίσκεται σε διαμάχη από τη δεκαετία του 1980. Όμως, τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν κάνει σημαντικά βήματα στην κατασκευή συσκευών μεγάλης κλίμακας. Τώρα, ένας πλήθος τεχνολογικών κολοσσών από την Google έως την IBM, καθώς και αρκετές καλά χρηματοδοτούμενες startups έχουν επενδύσει σημαντικά ποσά στην τεχνολογία — και έχουν δημιουργήσει πολλές μεμονωμένες μηχανές και μονάδες κβαντικής επεξεργασίας (QPU).
Θεωρητικά, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να λύσουν προβλήματα που ξεπερνούν ακόμη και τον πιο ισχυρό κλασικό υπολογιστή. Ωστόσο, υπάρχει ευρεία συναίνεση ότι τέτοιες συσκευές θα πρέπει να γίνουν πολύ μεγαλύτερες και πιο αξιόπιστες για να συμβεί αυτό. Μόλις το κάνουν, ωστόσο, υπάρχει ελπίδα ότι η τεχνολογία θα λύσει μια σειρά από επί του παρόντος άλυτες προκλήσεις στη χημεία, τη φυσική, την επιστήμη των υλικών και ακόμη και τη μηχανική μάθηση.
“Δεν είναι απλά σαν ένας γρήγορος κλασικός υπολογιστής, αυτό είναι ένα εντελώς διαφορετικό παράδειγμα”. Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν ορισμένες εργασίες αποτελεσματικά σε σχέση με την κλασική οι υπολογιστές απλά δεν μπορούν να κάνουν».
Το σημερινό state-of-the-art
Το πιο θεμελιώδες δομικό στοιχείο ενός κβαντικού υπολογιστή είναι το qubit μια μονάδα κβαντικής πληροφορίας που είναι συγκρίσιμη με ένα bit σε έναν κλασικό υπολογιστή, αλλά με την παράξενη ικανότητα να αναπαριστά έναν πολύπλοκο συνδυασμό και του 0 και του 1 ταυτόχρονα. Τα Qubits μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα ευρύ φάσμα διαφορετικού υλικού, συμπεριλαμβανομένων υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, παγιδευμένων ιόντων ή ακόμα και φωτονίων.
Οι μεγαλύτεροι κβαντικοί υπολογιστές του σήμερα έχουν μόλις ξεπεράσει το όριο των 1.000 qubit, αλλά οι περισσότεροι διαθέτουν μόνο μερικές δεκάδες ή εκατοντάδες qubits. Είναι πολύ πιο επιρρεπή σε σφάλματα από τα κλασικά υπολογιστικά στοιχεία λόγω της εξαιρετικής ευαισθησίας των κβαντικών καταστάσεων στον εξωτερικό θόρυβο, ο οποίος περιλαμβάνει αλλαγές θερμοκρασίας ή αδέσποτα ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Αυτό σημαίνει ότι είναι επί του παρόντος δύσκολο να εκτελούνται μεγάλα κβαντικά προγράμματα για αρκετό καιρό ώστε να επιλύονται πρακτικά προβλήματα.
Αυτό δεν σημαίνει ότι οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές είναι άχρηστοι, ωστόσο, είπε ο William Oliver, διευθυντής του Κέντρου Κβαντικής Μηχανικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) στις ΗΠΑ. «Αυτό για το οποίο χρησιμοποιούνται οι κβαντικοί υπολογιστές σήμερα είναι βασικά για να μάθουμε πώς να κάνουμε τους κβαντικούς υπολογιστές μεγαλύτερους, και επίσης να μάθουμε πώς να χρησιμοποιούμε κβαντικούς υπολογιστές».
Η κατασκευή ολοένα και μεγαλύτερων επεξεργαστών παρέχει κρίσιμη εικόνα για τον τρόπο κατασκευής μεγαλύτερων, πιο αξιόπιστων κβαντικών μηχανών και παρέχει μια πλατφόρμα για την ανάπτυξη και τη δοκιμή νέων κβαντικών αλγορίθμων. Επιτρέπουν επίσης στους ερευνητές να δοκιμάσουν κβαντικά σχήματα διόρθωσης σφαλμάτων, τα οποία θα είναι ζωτικής σημασίας για την επίτευξη της πλήρους υπόσχεσης της τεχνολογίας. Αυτά συνήθως περιλαμβάνουν τη διάδοση κβαντικών πληροφοριών σε πολλαπλά φυσικά qubit για τη δημιουργία ενός μόνο “λογικού qubit”, το οποίο είναι πολύ πιο ανθεκτικό.
Ο Lütkenhaus είπε ότι οι πρόσφατες ανακαλύψεις σε αυτόν τον τομέα υποδηλώνουν ότι ο κβαντικός υπολογισμός με ανοχή σε σφάλματα μπορεί να μην είναι τόσο μακριά. Αρκετές εταιρείες, συμπεριλαμβανομένων των QuEra , Quantinuum και Google έχουν πρόσφατα επιδείξει την ικανότητα να δημιουργούν λογικά qubits αξιόπιστα. Η κλιμάκωση στα χιλιάδες, αν όχι εκατομμύρια, των qubits που χρειαζόμαστε για να λύσουμε πρακτικά προβλήματα θα απαιτήσει χρόνο και πολλή μηχανική προσπάθεια, λέει ο Lütkenhaus. Αλλά μόλις επιτευχθεί αυτό, θα εμφανιστεί μια σειρά από συναρπαστικές εφαρμογές.
Όπου το quantum θα μπορούσε να αλλάξει το παιχνίδι
Το μυστικό της δύναμης των κβαντικών υπολογιστών βρίσκεται σε ένα κβαντικό φαινόμενο γνωστό ως υπέρθεση, είπε ο Όλιβερ. Αυτό επιτρέπει σε ένα κβαντικό σύστημα να καταλαμβάνει πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα μέχρι να μετρηθεί. Σε έναν κβαντικό υπολογιστή, αυτό καθιστά δυνατή την τοποθέτηση των υποκείμενων qubits σε μια υπέρθεση που αντιπροσωπεύει όλες τις πιθανές λύσεις σε ένα πρόβλημα.
«Καθώς εκτελούμε τον αλγόριθμο, οι απαντήσεις που είναι λανθασμένες αποκρύπτονται και οι απαντήσεις που είναι σωστές βελτιώνονται», είπε ο Όλιβερ. «Και έτσι στο τέλος του υπολογισμού, η μόνη απάντηση που επιζεί είναι αυτή που αναζητούμε».
Αυτό καθιστά δυνατή την αντιμετώπιση προβλημάτων που είναι πολύ μεγάλα για να τα επεξεργαστούμε διαδοχικά, όπως θα έπρεπε να κάνει ένας κλασικός υπολογιστής, πρόσθεσε ο Oliver. Και σε ορισμένους τομείς, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να εκτελούν υπολογισμούς εκθετικά πιο γρήγορα από τους κλασικούς ξαδέρφους τους, καθώς το μέγεθος του προβλήματος μεγαλώνει.
Μία από τις πιο προφανείς εφαρμογές έγκειται στην προσομοίωση φυσικών συστημάτων, είπε ο Όλιβερ, επειδή ο ίδιος ο κόσμος διέπεται από τις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Τα ίδια παράξενα φαινόμενα που κάνουν τους κβαντικούς υπολογιστές τόσο ισχυρούς κάνουν επίσης την προσομοίωση πολλών κβαντικών συστημάτων σε έναν κλασικό υπολογιστή δυσεπίλυτη σε χρήσιμη κλίμακα. Επειδή όμως λειτουργούν με τις ίδιες αρχές, οι κβαντικοί υπολογιστές θα πρέπει να είναι σε θέση να μοντελοποιούν αποτελεσματικά τη συμπεριφορά ενός ευρέος φάσματος κβαντικών συστημάτων.
Αυτό θα μπορούσε να έχει βαθύ αντίκτυπο σε τομείς όπως η χημεία και η επιστήμη των υλικών όπου τα κβαντικά φαινόμενα παίζουν σημαντικό ρόλο και θα μπορούσε να οδηγήσει σε ανακαλύψεις σε οτιδήποτε, από την τεχνολογία των μπαταριών έως τους υπεραγωγούς, τους καταλύτες και ακόμη και τα φαρμακευτικά προϊόντα.
Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν επίσης κάποιες λιγότερο αλμυρές χρήσεις. Λαμβάνοντας υπόψη αρκετά qubits, ένας αλγόριθμος που εφευρέθηκε από τον μαθηματικό Peter Shor το 1994 θα μπορούσε να σπάσει την κρυπτογράφηση που βασίζεται σε μεγάλο μέρος του σημερινού Διαδικτύου. Ευτυχώς, οι ερευνητές έχουν επινοήσει νέα σχήματα κρυπτογράφησης που παρακάμπτουν αυτόν τον κίνδυνο και νωρίτερα φέτος το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) κυκλοφόρησε νέα «μετα-κβαντικά» πρότυπα κρυπτογράφησης που ήδη εφαρμόζονται.
Αναδυόμενες δυνατότητες κβαντικού υπολογισμού
Άλλες εφαρμογές για κβαντικούς υπολογιστές είναι, προς το παρόν, κάπως εικασιακές, είπε ο Oliver.
Υπάρχουν ελπίδες ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη για τη βελτιστοποίηση, η οποία περιλαμβάνει την αναζήτηση της καλύτερης λύσης σε ένα πρόβλημα με πολλές πιθανές λύσεις. Πολλές πρακτικές προκλήσεις μπορούν να συνοψιστούν σε διαδικασίες βελτιστοποίησης, από τη διευκόλυνση των ροών κυκλοφορίας μέσω μιας πόλης έως την εύρεση των καλύτερων διαδρομών παράδοσης για μια εταιρεία logistics. Η δημιουργία του καλύτερου χαρτοφυλακίου μετοχών για έναν συγκεκριμένο οικονομικό στόχο θα μπορούσε επίσης να είναι μια πιθανή εφαρμογή.
Μέχρι στιγμής, ωστόσο, οι περισσότεροι αλγόριθμοι κβαντικής βελτιστοποίησης προσφέρουν λιγότερες από τις εκθετικές επιταχύνσεις. Επειδή το κβαντικό υλικό λειτουργεί πολύ πιο αργά από τα τρέχοντα ηλεκτρονικά που βασίζονται σε τρανζίστορ, αυτά τα μέτρια αλγοριθμικά πλεονεκτήματα ταχύτητας μπορούν γρήγορα να εξαφανιστούν όταν εφαρμοστούν σε μια συσκευή πραγματικού κόσμου.
Ταυτόχρονα, η πρόοδος στους κβαντικούς αλγόριθμους έχει ωθήσει τις καινοτομίες στον κλασικό υπολογισμό. «Καθώς οι σχεδιαστές κβαντικών αλγορίθμων επινοούν διαφορετικά σχήματα βελτιστοποίησης, οι συνάδελφοί μας στην επιστήμη των υπολογιστών προωθούν τους αλγόριθμούς τους και αυτό το πλεονέκτημα που φαίνεται να έχουμε καταλήγει να εξατμίζεται», πρόσθεσε ο Oliver.
Άλλοι τομείς ενεργούς έρευνας με λιγότερο σαφείς μακροπρόθεσμες δυνατότητες περιλαμβάνουν τη χρήση κβαντικών υπολογιστών για αναζήτηση μεγάλων βάσεων δεδομένων ή διεξαγωγή μηχανικής μάθησης, η οποία περιλαμβάνει την ανάλυση μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων για την ανακάλυψη χρήσιμων μοτίβων. Οι επιταχύνσεις εδώ είναι επίσης λιγότερο από εκθετικές και υπάρχει το πρόσθετο πρόβλημα της μετάφρασης μεγάλων ποσοτήτων κλασικών δεδομένων σε κβαντικές καταστάσεις στις οποίες μπορεί να λειτουργήσει ο αλγόριθμος μια αργή διαδικασία που μπορεί γρήγορα να επηρεάσει οποιοδήποτε υπολογιστικό πλεονέκτημα.
Αλλά είναι ακόμη νωρίς, και υπάρχουν πολλά περιθώρια για αλγοριθμικές ανακαλύψεις, είπε ο Oliver. Το πεδίο βρίσκεται ακόμη στη διαδικασία ανακάλυψης και ανάπτυξης των δομικών στοιχείων των κβαντικών αλγορίθμων, μικρότερες μαθηματικές διαδικασίες γνωστές ως «πρωτόγονες» που μπορούν να συνδυαστούν για την επίλυση πιο περίπλοκων προβλημάτων.
«Πρέπει να κατανοήσουμε πώς να χτίζουμε κβαντικούς αλγόριθμους, να αναγνωρίζουμε και να αξιοποιούμε αυτά τα στοιχεία του προγράμματος, να βρίσκουμε νέα εάν υπάρχουν και να καταλαβαίνουμε πώς να τα συνδυάζουμε για να φτιάξουμε νέους αλγόριθμους», λέει ο Oliver.
Αυτό θα πρέπει να καθοδηγεί τη μελλοντική ανάπτυξη του τομέα, πρόσθεσε ο Lütkenhaus, και είναι κάτι που οι εταιρείες πρέπει να έχουν κατά νου όταν λαμβάνουν επενδυτικές αποφάσεις. «Καθώς προωθούμε το γήπεδο προς τα εμπρός, μην εστιάζετε πολύ νωρίς σε πολύ συγκεκριμένα προβλήματα», είπε. «Χρειάζεται ακόμα να λύσουμε πολλά περισσότερα γενικά προβλήματα και στη συνέχεια αυτό μπορεί να διακλαδιστεί σε πολλές εφαρμογές».
Κάντε εγγραφή στο ενημερωτικό μας δελτίο.
