Κβαντικοί Υπολογιστές. Μια έννοια που διαφημίζεται συχνά σε παχυλούς τίτλους ειδήσεων, όπως το πώς η Google πέτυχε Quantum Supremacy, πώς οι Quantum Computers αποτελούν μεγάλη απειλή για την κλασσική κρυπτογραφία, πως το Fermilab και η NASA πέτυχαν Quantum Teleportation υψηλής αξιοπιστίας. Όλα αυτά ακούγονται ίσως μαγικά ή τρομακτικά, αλλά σίγουρα πολύ μακρινά, καθώς λίγα άτομα καταλαβαίνουν περί τίνος πρόκειται στην πραγματικότητα. Τι είναι δηλαδή οι κβαντικοί υπολογιστές και γιατί γίνεται τόσος σάλος για αυτούς;  

Όλα ξεκίνησαν με μια ιδέα που είχαν διάφοροι επιστήμονες, όπως ο Richard Feynman περίπου στα 1980, σύμφωνα με την οποία, υπάρχουν κάποια προβλήματα, τα οποία ένας υπολογιστής που λειτουργεί αξιοποιώντας τις ιδιότητες της κβαντομηχανικής, μπορεί να επιλύσει πολύ πιο γρήγορα και πιο αποτελεσματικά απ’ ότι  ένας κλασικός υπολογιστής. Επιπλέον, περίπου την ίδια εποχή, ο Paul Benioff απέδειξε ότι κάτι τέτοιο είναι πράγματι δυνατό, χρησιμοποιώντας μια περιγραφή της εξίσωσης Schrödinger για μηχανές Turing.  Πολλά ακολούθησαν έπειτα από αυτές τις διαπιστώσεις, ώσπου να φτάσουμε στο σήμερα, όπου τεράστιες εταιρείες, όπως η IBM, η Microsoft και η Google, έχουν καταστήσει τον σχεδιασμό των κβαντικών υπολογιστών ένα από τα βασικά αντικείμενα έρευνάς τους, καθώς θεωρείται ότι αυτοί θα αποτελέσουν εργαλείο ζωτικής σημασίας στο άμεσο μέλλον.

Πρακτικά τώρα, είναι σημαντικό να εντοπιστεί η διάκριση μεταξύ κλασικού και κβαντικού υπολογιστή. Οι κλασικοί υπολογιστές λειτουργούν έχοντας ως θεμελιώδη μονάδα τους το bit, το οποίο είναι είτε 0 είτε 1, και όποτε και να το μετρήσουμε έχει μια από αυτές τις δύο τιμές, όπως ένας διακόπτης που είναι είτε στο on, είτε στο off. Αντίθετα, οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν με qubits, τα οποία δεν καταλαμβάνουν μια από τις δύο τιμές, αλλά βρίσκονται ταυτόχρονα και στο 0 και στο 1 (είναι δηλαδή γραμμικός συνδυασμός του 0 και του 1). Ωστόσο, αν τα μετρήσουμε, πάντα παίρνουμε είτε τη μια είτε την άλλη τιμή. Επιπλέον, μπορούν να αλληλεπιδράσουν το ένα με το άλλο, καθώς και να βρεθούν σε μια κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής (quantum entanglement), όπου μετρώντας το ένα, γνωρίζουμε αυτόματα την κατάσταση στην οποία βρίσκεται και το άλλο. Ακριβώς λόγω της τελευταίας αυτής ιδιότητας, οι κβαντικοί υπολογιστές αποκτούν το τρομερό προνόμιο, έναντι των κλασσικών, να βελτιώνουν εκθετικά, και όχι γραμμικά, την ικανότητα τους στην επίλυση προβλημάτων με την αύξηση του αριθμού των qubits.

Όλες οι παραπάνω ιδιότητες, υπόσχονται ένα μηχάνημα με ικανότητες, ιδιαίτερα όσον αφορά στην παράλληλη επεξεργασία και τη βελτιστοποίηση, οι οποίες ξεπερνούν συντριπτικά το κλασικό του ανάλογο. Παρόλα αυτά, δημιουργούν εν γένει ένα πολύ “εύθραυστο” σύστημα που εύκολα μπορεί να υποπέσει σε σφάλματα, τα οποία, αν δεν είμαστε σε θέση να επιλύσουμε, λαμβάνουμε αποτελέσματα εντελώς ανακριβή. Έτσι, μεγάλο μέρος της έρευνας που γίνεται σήμερα, αφορά ακριβώς, τόσο στο πώς θα κάνουμε τα qubit πιο “ανθεκτικά” σε σφάλματα, όσο και στην εύρεση αποτελεσματικών και άμεσων τρόπων επίλυσης των σφαλμάτων αυτών, όταν προκύπτουν.

Οι προηγούμενες πληροφορίες αποκτούν πραγματική υπόσταση αν αναλογιστούμε την επερχόμενη εντατικοποίηση της χρήσης των υπολογιστών αυτών. Τελικά, αυτή η χρήση θα αλλάξει όντως τόσο δραματικά τη ζωή μας, όπως επαγγέλονται τα άρθρα που αναφέραμε στην αρχή;  Η απάντηση είναι και ναι και όχι. Ξεκινώντας από το όχι, κάτι που συχνά δεν εξετάζεται, είναι το γεγονός, ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μάλλον δεν πρόκειται να αντικαταστήσουν το κλασικό τους ανάλογο στη ζωή μας. Ακόμα κι αν ξεπεράσουμε τα errors που προκύπτουν, το κόστος συντήρησης κ.α., ένας κβαντικός υπολογιστής δεν προβλέπεται, βάσει των ιδιοτήτων του, να κάνει πολύ γρηγορότερα  ή καλύτερα καθημερινά tasks, όπως η περιήγηση στα social media. Έτσι κατά πάσα πιθανότητα, δεν θα συμφέρει να έχει κάποιος ένα τέτοιο μηχάνημα στην καθημερινή του ζωή, αντί του κλασικού υπολογιστή που όλοι γνωρίζουμε. Ωστόσο, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν, πράγματι, στο μέλλον να χρησιμοποιηθούν από εταιρείες, ερευνητικά κέντρα και πανεπιστήμια για εφαρμογές στην υγεία, την οικονομία, τη βασική έρευνα και τη βελτιστοποίηση διαφόρων άλλων τομέων[1], με σημαντική επίδραση στην καθημερινότητά μας. 

Ξεκινώντας από τον παράγοντα της υγείας[2], οι αλλαγές που αναμένεται να δούμε με την άνοδο των κβαντικών υπολογιστών είναι πολυάριθμες. Αρχικά, θα μεταμορφωθεί εντελώς ο τομέας της φαρμακοβιομηχανίας. Εξετάζοντας μοριακές δομές πρωτεϊνών, ουσιών και πιθανών φαρμάκων με ασύγκριτη ταχύτητα και ανάλυση σε σχέση με τώρα, η κατασκευή φαρμάκων για κάποιες ασθένειες θα είναι πολύ πιο άμεση και αποτελεσματική και ίσως να βρεθεί θεραπεία για ανίατες μέχρι τώρα νόσους, όπως το Alzheimer. Ακόμα, δεν θα χρειάζεται πλέον να υπόκεινται άνθρωποι ή ζώα σε κλινικές δοκιμές, αφού οι υπολογιστές θα είναι σε θέση να προσομοιώσουν με τεράστια αποτελεσματικότητα την επίδραση την οποία αναμένεται να έχει το συγκεκριμένο φάρμακο, εμβόλιο κ.λ.π. στον ανθρώπινο οργανισμό. Έτσι, προσεγγίζουμε  μια εποχή, όπου τα φάρμακα θα είναι διαθέσιμα  στην αγορά μερικές μόνο εβδομάδες μετά τις πρώτες μελέτες. Επιπλέον, ο προσδιορισμός της αλληλουχίας του DNA (DNA sequencing) θα προχωρήσει ταχύτατα, οπότε θα έχουμε σημαντικά μεγαλύτερη επίγνωση σχετικά με το ρίσκο που διατρέχει γενετικά κάθε άτομο από κάποια ασθένεια. Τέλος, οι κβαντικοί υπολογιστές θα αναλύουν τα αμέτρητα δεδομένα, τα οποία δύνανται να καταγράψουν καθημερινά οι διάφορες συσκευές τύπου health sensors και wearables, φέρνοντας πραγματικά στο προσκήνιο την προγνωστική ιατρική έναντι της διαγνωστικής.

Στον τομέα της οικονομίας[3], η στόχευση στη βέλτιστη εξυπηρέτηση του πελάτη θα γίνεται όπως ποτέ πριν, καθώς οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να αναλύουν πληθώρα συμπεριφορικών δεδομένων (behavioral data) και σε πραγματικό χρόνο να του προσφέρουν τα ιδανικά για αυτόν προϊόντα. Ακόμα, θα υπάρξει δραστική  αλλαγή και σε περιβάλλοντα συναλλαγών, όπως το χρηματιστήριο, αφού θα  πραγματοποιείται πιο αξιόπιστη ανάλυση των δεδομένων της αγοράς, και έτσι οι διαχειριστές επενδύσεων (investment managers) θα μπορούν να ανταποκρίνονται καλύτερα στους στόχους των επενδυτών.

Επιπρόσθετα, η βασική έρευνα πληθώρας τομέων θα επωφεληθεί σημαντικά. Αναφορικά με τα πεδία της χημείας και της βιολογίας, θα πραγματοποιηθεί ανάλυση μορίων, πρωτεϊνών και αντιδράσεων σε επίπεδο που αυτή τη στιγμή είναι απλά αδύνατο, ενώ στον τομέα της φυσικής[4], θα επιτευχθεί  τόσο η καλύτερη κατανόηση της βασικής δομής  των υλικών στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, όσο και η προσομοίωση Κβαντικών Θεωριών Πεδίου (QFTs), με αποτέλεσμα να καταλάβουμε, έτσι, λίγο καλύτερα τον κόσμο στον οποίο ζούμε. Θα δούμε ακόμα, σημαντικές αναβαθμίσεις στη λειτουργία διαφόρων τομέων[1], όπως η κίνηση (traffic), τόσο επίγεια, όσο και εναέρια, και η διαχείριση αλυσίδας εφοδιασμού (supply chain management), οι οποίες σχετίζονται με την εύρεση και τον συνεχή επαναπροσδιορισμό βέλτιστων διαδρομών.       

Συμπερασματικά, λοιπόν, μπορούμε να πούμε ότι αν καταφέρουν να ξεπεράσουν  τα εμπόδια του σήμερα, οι κβαντικοί υπολογιστές, υπόσχονται τις επόμενες δεκαετίες, ένα αύριο γεμάτο με νέες δυνατότητες. Μπορεί η παράξενη φύση τους να μοιάζει μακρινή για πολλούς, αλλά ίσως, στο μέλλον, η  ίδια αυτή φύση να καταφέρει να λύσει τεράστια προβλήματα και να αναβαθμίσει συνολικά το βιοτικό μας επίπεδο και τις κοινωνίες μας.

Ελένη Κ.

 Πηγές:

[1]https://www.jdsupra.com/legalnews/kangaroo-court-quantum-computing-3197671/

[2]https://medicalfuturist.com/quantum-computing-in-healthcare/

[3]https://www.ibm.com/thought-leadership/institute-business-value/report/exploring-quantum-financial

[4]Quantum Computing: Advancing Fundamental Physics – Panagiotis Spentzouris (2020)