Εισαγωγή στην κβαντική θεωρία
Η κβαντική θεωρία γεννήθηκε από την παρατήρηση ότι η συμπεριφορά του φωτός σε ορισμένα πειράματα θα μπορούσε να εξηγηθεί μόνο εάν θεωρηθεί ότι το φως αποτελείται από σωματίδια που μπορούν και συμπεριφέρονται σαν κύματα. Tο 1900, o Max Plank εισήγαγε την ιδέα των "κβάντων" φωτός με σκοπό να εξηγήσει το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα.[1] Ο Plank λοιπόν θεώρησε πως η εκπομπή και η απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας γίνεται με διακριτές βασικές μονάδες ενέργειας. Αυτά τα ποσά ή πακέτα ενέργειας τα ονόμασε "κβάντα".
Η σημερινή μορφή της κβαντικής θεωρίας προήλθε από τη συμβολή πολλών επιστημόνων κυρίως στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα. Το 1924, ήταν η σειρά του Louis de Broglie, ο οποίος πρότεινε ότι δεν υπάρχει καμία θεμελιώδης διαφορά στη συμπεριφορά κύματος και ύλης στο ατομικό και υποατομικό επίπεδο (κυματοσωματιδιακός δυισμός) ενώ οι Schrödinger και Heisenberg δημιούργησαν ένα γενικό μαθηματικό φορμαλισμό για την κβαντική θεωρία πάνω στον οποίο στηρίχθηκαν όλα τα εντυπωσιακά ποσοτικά αποτελέσματά της: ο μεν Schrödinger την κυματομηχανική και ο Heisenberg τη μηχανική Μητρών (Matrix Mechanics) .
Τα Qubits
Τα διακριτά στοιχεία πληροφορίας στα ψηφιακά συστήματα, παριστάνονται από φυσικές ποσότητες που λέγονται σήματα. Τα σήματα σε όλους τους σύγχρονους ψηφιακούς υπολογιστές έχουν μόνο δυο διακριτές τιμές και γι' αυτό, τα ονομάζουμε δυαδικά. Εξαιτίας του υλικού, οι υπολογιστές απεικονίζουν τα πάντα με δυαδικά ψηφία, τα γνωστά bits. Ένα bit πληροφορίας μπορεί να πάρει μόνο δύο τιμές την <<0>> και <<1>>.
Στους κβαντικούς υπολογιστές, μονάδα πληροφορίας είναι το κβαντικό bit (quantum bit) ή αλλιώς qubit. Το qubit είναι ένα κβαντικό σύστημα δύο καταστάσεων. Οι δύο βασικές καταστάσεις του qubit συμβολίζονται με 0 και 1.
Στην κβαντομηχανική, ένα σωμάτιο μπορεί να βρίσκεται οπουδήποτε, ακόμη και σε πολλά σημεία στο χώρο ταυτόχρονα. Από τη στιγμή, όμως, που θα μετρήσουμε ένα φυσικό μέγεθος (δηλαδή μια ιδιοτιμή ενός τελεστή), εντοπίζουμε το σωμάτιο, επηρεάζουμε δηλαδή την κίνησή του και η περαιτέρω χρονική εξέλιξη αρχίζει από τη στιγμή της μέτρησης. Αυτό εξηγεί και το γεγονός ότι το qubit μπορεί να είναι συγχρόνως 0 και 1 σε αντίθεση με το κλασικό bit.
Υπάρχουν αρκετά κβαντικά συστήματα δύο καταστάσεων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως qubits. Για παράδειγμα, η κατάσταση του spin ενός σωματιδίου με spin ½ μπορεί να θεωρηθεί ως qubit, όπου η κατάσταση spin +1/2 αντιστοιχεί στην βασική κατάσταση 0 και η κατάσταση spin -1/2 στην βασική κατάσταση 1.
Η αρχική κατάσταση ενός qubit είναι πάντα μία από τις δύο λογικές καταστάσεις 0 και 1. Χρησιμοποιώντας κατάλληλες διαδικασίες, μπορούμε να μεταβούμε σε ένα γραμμικό συνδυασμό (υπέρθεση) των λογικών καταστάσεων. Γενικά, τα qubits είναι εξαιρετικά ευαίσθητα. Τυχαίες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τούς υποβαθμίζουν τις υπερθέσεις εξαιρετικά γρήγορα, μετατρέποντάς τις σε τυχαία διατεταγμένα συνηθισμένα bits. Τελικά πόση κλασική πληροφορία μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα qubit; Tο κβαντικό bit μπορεί να φαίνεται ότι περιέχει άπειρη ποσότητα πληροφορίας, όμως αυτή δεν εξάγεται, αφού με τυχόν μέτρηση η υπέρθεση καταρρέει και αυτή η πληροφορία χάνεται. Η πληροφορία αυτή δεν μπορεί καν να αντιγραφεί. Αυτό δηλαδή σημαίνει ότι μία άγνωστη κβαντική κατάσταση δεν μπορεί να αντιγραφεί σε μία άλλη.
Οι κβαντικοί υπολογιστές
Η ιδέα για τη δημιουργία ενός υπολογιστή που θα βασίζεται στις αρχές της κβαντομηχανικής διατυπώθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '80, όταν οι φυσικοί Richard Feynman, David Deutsch και Paul Benioff διαπίστωσαν ότι οι κλασικοί υπολογιστές είχαν βασικούς περιορισμούς στο χρόνο και στη μνήμη για την εκπόνηση βασικών λειτουργιών [6]. Κατανόησαν ότι η συνεχής συρρίκνωση των στοιχείων που συσκευάζονται επάνω στα τσιπ πυριτίου θα έφθανε σε ένα σημείο όπου τα μεμονωμένα στοιχεία δεν θα ήταν μεγαλύτερα από μερικά άτομα. Η συνεχής μείωση, με λιθογραφικές τεχνικές, των διαστάσεων θα μπορούσε να φτάσει στις διαστάσεις των ατόμων και οι υπολογιστές θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από το ίδιο το άτομο με παρουσία κβαντικών κανόνων.
Τα πλεονεκτήματα των κβαντικών υπολογιστών σε σχέση με τους κλασικούς είναι τα εξής:
1. Μεγαλύτερη ταχύτητα
2. Τεράστια μνήμη
3. Δυνατότητα επίλυσης ορισμένων «υπολογιστικά δύσκολων» κλασικών προβλημάτων (προβλήματα NP) σε πολυωνυμικό χρόνο.
Ο πρώτος που επινόησε έναν κβαντικό υπολογιστικό αλγόριθμο ήταν ο Peter Shor που μπόρεσε, εκμεταλλευόμενος την κβαντική δύναμη, να παραγοντοποιήσει πολύ μεγάλους αριθμούς σε κλάσματα δευτερολέπτου. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος από τη σύλληψη της ιδέας του κβαντικού υπολογιστή μέχρι σήμερα, ωστόσο υπάρχουν πολλά εμπόδια στην υλοποίησή του. Το κυριότερο πρόβλημα στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών είναι η ύπαρξη σφαλμάτων και η αντιμετώπισή τους. Το πρόβλημα που προκύπτει στη διόρθωση σφάλματος είναι ποια λάθη χρειάζονται διόρθωση.
Η προοπτική και το μέλλον των κβαντικών υπολογιστών
Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι κατάλληλοι για όλες τις υπολογιστικές διεργασίες. Παραδείγματος χάριν, δεν μπορούν να επιταχύνουν την επεξεργασία κειμένου ή την πλοήγηση στο διαδίκτυο. Το πιθανότερο είναι να χρησιμοποιηθούν υβρίδια κλασικών και κβαντικών υπολογιστών στο μέλλον. Η βασική μελλοντική τους εφαρμογή θα είναι η χρήση τους για την προστασία απόρρητων και προσωπικών δεδομένων γιατί θα είναι αδύνατο να μπορούν να εισέρχονται σε e-mails και τραπεζικούς λογαριασμούς χρηστών του διαδικτύου, λόγω της ασφάλειας που θα παρέχουν.
Επίσης, η αναζήτηση πληροφορίας στο διαδίκτυο θα διεξάγεται πολύ πιο γρήγορα, εφόσον υπάρχει κβαντικός αλγόριθμος αναζήτησης δεδομένων σε λίστα ο οποίος είναι μικρότερης τάξεως από τον αντίστοιχο κλασικό. Τέλος, μία άλλη εφαρμογή που έχει χρήση και στην καθημερινή ζωή είναι η βελτίωση στη χρήση GPS δηλαδή συστημάτων που χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα για να ανιχνεύεται μία θέση προς αναζήτηση. Αυτά τα συστήματα βασίζονται σε ρολόγια που λειτουργούν με βάση τις αρχές της κβαντομηχανικής. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να βελτιώσουν αυτές τις ρυθμίσεις και η αναζήτηση με τα μηχανήματα να δίνει καλύτερα και πιο έγκυρα αποτελέσματα.
Ο «μονόλιθος» της D-Wave
Το D-Wave One, όπως ονομάζεται ο κβαντικός υπολογιστής, μοιάζει με ένα τεράστιο μαύρο κύβο ή ένα μαύρο μονόλιθο όπως τον αναφέρουν πολλοί, αφού η εμφάνιση του θυμίζει τον μονόλιθο της «Οδύσσειας του Διαστήματος» του Άρθουρ Κλαρκ .
Η μόνη λεπτομέρεια που έχει γίνει γνωστή σχετικά με τον D-Wave One είναι ότι χρησιμοποιεί ένα υπεραγώγιμο τσιπ των 128 - qubit που ονομάζεται Rainier. Ο επεξεργαστής αυτός είναι θωρακισμένος με ειδικά φίλτρα για την προστασία του από κάθε εξωτερικό παράγοντα (π.χ. θόρυβο) ώστε να μην καθυστερεί η επεξεργασία. Έχει επιτευχθεί επίσης η ψύξη του σχεδόν στο απόλυτο μηδέν κατά τη λειτουργία του ώστε να μην υπερθερμαίνεται και να συνεχίζει απρόσκοπτα η λειτουργία του.
Η Lockheed Martin το 2011 έδωσε δέκα εκατομμύρια δολάρια για την αγορά του υπολογιστή ο οποίος βρισκόταν στις εγκαταστάσεις της εταιρίας εδώ και ένα χρόνο και οι τεχνικοί της τον δοκίμαζαν. Σύμφωνα πάντως με όσα διαρρέονται, ο D-Wave One δεν είναι ένας αυτόνομος κβαντικός υπολογιστής αλλά σχεδιάστηκε να λειτουργεί ως τμήμα ενός μεγάλου συμβατικού υπολογιστικού συστήματος και έχει ως αποστολή την επίλυση εξαιρετικά εξειδικευμένων προβλημάτων.
Ένα Νόμπελ που ανοίγει το δρόμο για την εδραίωση των κβαντικών υπολογιστών
Το 2012, ο Γάλλος Σερζ Αρός και ο Αμερικανός Ντέιβιντ Ουάινλαντ βρήκαν τρόπους για να μετρούν κβαντικά σωματίδια χωρίς να τα καταστρέφουν, κάτι που οι ερευνητές θεωρούσαν ως τότε αδύνατο. Το γεγονός αυτό οδήγησε στην απονομή του βραβείου Νόμπελ Φυσικής.
Η δουλειά τους μπορεί να οδηγήσει στην κατασκευή ενός νέου είδους εξαιρετικά γρήγορου ηλεκτρονικού υπολογιστή βασισμένου στην κβαντική φυσική, σύμφωνα με τη Σουηδική Βασιλική Ακαδημία Επιστημών που απένειμε το βραβείο.
"Οι βραβευθέντες άνοιξαν το δρόμο για μια νέα εποχή πειραματισμού με την κβαντική φυσική επιτυγχάνοντας την άμεση παρατήρηση μεμονωμένων κβαντικών σωματιδίων χωρίς να τα καταστρέφουν", αναφέρει η Ακαδημία στη δήλωση που εξέδωσε.
"Ίσως ο κβαντικός ηλεκτρονικός υπολογιστής αλλάξει την καθημερινή ζωή μας αυτό τον αιώνα με τον ίδιο ριζικό τρόπο που την άλλαξε ο κλασικός ηλεκτρονικός υπολογιστής τον περασμένο αιώνα".
ΠΗΓΕΣ
1. Γούσια, Π. (2006), Κβαντικοί υπολογιστές: Μέθοδοι υλοποίησης κβαντικών πυλών, Διπλωματική εργασία, Τμήμα Πληροφορικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης.
2. http://portal.kathimerini.gr/4dcgi/_w_articles_kathbreak_1_09/10/2012_465251
3. http://www.tovima.gr/science/technology-planet/article/?aid=404125
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ
Για μια πληρέστερη κατανόηση των δύσκολων εννοιών γύρω από τους κβαντικούς υπολογιστές παρατίθεται το παρακάτω βίντεο:
