Πέμπτη, 23 Φεβρουαρίου 2017

Έφτασε η εποχή των κβαντικών υπολογιστών;



Η πρόοδος τα τελευταία χρόνια στον τομέα της πληροφορικής έχει υπάρξει αλματώδης.
Παρ'όλα αυτά και παρ'όλα τα τεράστια ποσά επεξεργαστικής ισχύος που παράγονται από τους κατασκευαστές ηλεκτρονικών υπολογιστών, δεν δείχνουμε να σταματάμε να απαιτούμε μεγαλύτερες αποδόσεις στην ταχύτητα και τις ικανότητες των υπολογιστών. Φανταστείτε ότι το 1947 η κατάσταση ήταν τέτοια ώστε, o διάσημος Αμερικανός μηχανικός ηλεκτρονικών υπολογιστών Howard Aiken δήλωσε ότι μόλις έξι ηλεκτρονικoί υπολογιστές αρκούν για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες πληροφορικής ολόκληρων των Ηνωμένων Πολιτειών! Φυσικά πάρα πολλοί άλλοι έχουν κάνει κατα καιρούς παρόμοιες προβλέψεις, αλλά όπως και ο Aiken έπεσαν έξω, διότι δεν έλαβαν υπόψιν τα τεράστια ποσά των δεδομένων που προκύπτουν από την επιστημονική έρευνα, τη διάδοση των προσωπικών υπολογιστών ( και τα τελευταία χρόνια των smartphones ) ή την εμφάνιση του Διαδικτύου, τα οποία έχουν προκαλέσει την ανάγκη μας, για ολοένα περισσότερη υπολογιστική ισχύ. 
 


Θα έχουμε άραγε ποτέ το ποσό της υπολογιστικής δύναμης που χρειαζόμαστε ή που στο κάτω-κάτω θέλουμε; Αν λάβουμε υπόψιν μας τον νόμο του Moore, ο οποίος έχει επαληθευτεί πρακτικά και ορίζει ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε έναν μικροεπεξεργαστή θα διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες, τότε το έτος 2020 ή το 2030, τα κυκλώματα σε ένα μικροεπεξεργαστή, θα μετριούνται σε ατομική κλίμακα και το επόμενο λογικό βήμα θα είναι να δημιουργήσουμε κβαντικούς υπολογιστές, οι οποίοι θα αξιοποιήσουν τη δύναμη των ατόμων και των μορίων για να εκτελούν καθήκοντα μνήμης και επεξεργασίας δεδομένων.
Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να εκτελούν υπολογισμούς εξαιρετικά ταχύτερα από οποιονδήποτε υπολογιστή της σημερινής τεχνολογίας, οι οποίοι έχουν βάση το πυρίτιο. Σήμερα έχουν ήδη κατασκευαστεί αρχικές εκδόσεις κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι μπορούν να εκτελούν κάποιους στοιχειώδεις υπολογισμούς, αλλά ένας πρακτικά χρήσιμος κβαντικός υπολογιστής εξακολουθεί να είναι χρόνια μακριά.


ΟΜΩΣ, ΤΙ ΑΚΡΙΒΩΣ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑΣ ΚΒΑΝΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ;

Δεν χρειάζεται να πάμε πολύ πίσω για να βρούμε τις ρίζες των κβαντικών υπολογιστών. Ενώ οι υπολογιστές είναι στις υπηρεσίες μας σχεδόν ολόκληρο τον 20ο αιώνα, η ιδέα για μια θεωρία κβαντικών υπολογιστών εμφανίστηκε για πρώτη φορά λιγότερο από 30 χρόνια πριν, από έναν φυσικό στο Argonne National Laboratory. Συγκεκριμένα ο άνθρωπος ο οποίος πιστώνεται με την πρώτη εφαρμογή της κβαντικής θεωρίας σε υπολογιστές ήταν ο Paul Benioff το 1981.
Ο Benioff συννέλαβε τη θεωρία για τη δημιουργία μιας κβαντικής μηχανής Turing. Οι περισσότερες ψηφιακές μηχανές υπολογισμού, όπως για παράδειγμα αυτή που χρησιμοποιείτε για να διαβάσετε αυτό το άρθρο, βασίζονται στη θεωρία του Turing .

Μια μηχανή Turing, είναι μια θεωρητική συσκευή που αναπτύχθηκε από τον Alan Turing το 1930 και η οποία αποτελείται από μια ταινία απεριόριστου μήκους που είναι διαιρεμένη σε μικρά τετραγωνα κομματάκια. Κάθε τετράγωνο μπορεί είτε να περιέχει ένα σύμβολο (1 ή 0) ή να είναι άδειο. Υπάρχει ακόμα μια συσκευή ανάγνωσης-εγγραφής η οποία διαβάζει αυτά τα σύμβολα και τα κενά και δίνει στο μηχάνημα τις οδηγίες για να εκτελέσει ένα συγκεκριμένο κώδικα.
Ακούγεται γνωστό έτσι; Τώρα σε μια κβαντική μηχανή Turing, η διαφορά είναι ότι η ταινία βρίσκεται σε μια κβαντική κατάσταση, όπως επίσης σε κβαντική κατάσταση βρίσκεται και η μηχανή ανάγνωσης-εγγραφής. Αυτό σημαίνει ότι τα σύμβολα στην ταινία μπορεί να είναι είτε 0 είτε 1 ή μια υπέρθεση των 0 και 1. Με άλλα λόγια τα σύμβολα μπορούν να είναι και 0 και 1 ( και όλα τα σημεία στο μεταξύ) ταυτόχρονα! Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι, ενώ μια κλασσική μηχανή Turing μπορεί να εκτελέσει μόνο έναν υπολογισμό τη φορά, μια κβαντική μηχανή Turing μπορεί να εκτελέσει πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα. Οι σημερινοί υπολογιστές, όπως και η μηχανή Turing, λειτουργούν χειριζόμενοι bits που υπάρχουν σε μία από τις δύο καταστάσεις: 0 ή 1. Αντίθετα οι κβαντικοί υπολογιστές δεν έχουν αυτόν τον περιορισμό καθώς κωδικοποιούν τις πληροφορίες ως κβαντικά bits, ή αλλιώς qubits, τα οποία μπορεί να υπάρχουν σε υπέρθεση. Όπως προείπαμε ένα qubit μπορεί να αναπαραστήσει την τιμή 1, 0 ή οποιαδήποτε υπέρθεση αυτών των 2, άρα δύο qubits μπορούν να αναπαραστήσουν οποιαδήποτε υπέρθεση τεσσάρων δυνατών καταστάσεων, 3 qubits οποιαδήποτε υπέρθεση 8 καταστάσεων. Γενικά ένας κβαντικός υπολογιστής με n qubits μπορεί να βρίσκεται σε αυθαίρετη υπέρθεση των εως 2n δυνατών καταστάσεων ταυτόχρονα, ενώ ένας κλασικός υπολογιστής μπορεί να βρίσκεται μόνο σε μια από αυτές τις καταστάσεις κάθε στιγμή. Ο κβαντικός υπολογιστής λειτουργεί θέτοντας τα qubits σε μια ελεγχόμενη αρχική κατάσταση που αναπαριστά το αρχικό πρόβλημα και χειρίζεται τα qubits χρησιμοποιώντας λογικές κβαντικές πύλες.Η αλληλουχία των πυλών που χρησιμοποιούνται ονομάζεται κβαντικός αλγόριθμος. Αυτή λοιπόν η υπέρθεση των qubits είναι αυτό που δίνει στους κβαντικούς υπολογιστές την ικανότητα του παραλληλισμού. Σύμφωνα με τον φυσικό David Deutsch, αυτός ο παραλληλισμός επιτρέπει σε ένα κβαντικό υπολογιστή να κάνει ένα εκατομμύριο υπολογισμούς ταυτόχρονα, ενώ το κλασσικό pc μας κάνει μόνο έναν (!)

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν επίσης μια άλλη πτυχή της κβαντικής μηχανικής γνωστή ως κβαντική περιπλοκή. Ένα πρόβλημα στην ιδέα των κβαντικών υπολογιστών είναι ότι αν προσπαθήσουμε να παρατηρήσουμε τα υποατομικά σωματίδια, τα ίδια τα μέσα το οποία θα χρησιμοποιήσουμε για την παρατήρηση, μπορεί να επηρεάσουν τα σωματίδια αλλάζοντας τις τιμές τους. Αν παρατηρήσουμε ένα qubit σε υπέρθεση για να προσδιορίσουμε την τιμή του, το qubit θα πάρει την τιμή 0 ή 1 , αλλά όχι και τα δύο ( μετατρέποντας ουσιαστικά τον κβαντικό υπολογιστή μας σε ένα κλασσικό ψηφιακό υπολογιστή). Για να έχει λοιπόν πρακτική αξία ένας κβαντικός υπολογιστής, οι επιστήμονες πρέπει να επινοήσουν τρόπους έμμεσων μετρήσεων ώστε να διατηρείται η ακεραιότητα του συστήματος. Η κβαντική περιπλοκή μας παρέχει μια πιθανή λύση στο πρόβλημα. Στην κβαντική φυσική, αν εφαρμόσουμε μια εξωτερική δύναμη σε δύο άτομα, μπορεί να εξαναγκαστούν σε περιπλοκή και το δεύτερο άτομο μπορεί να πάρει τις ιδιότητες του πρώτου. Έτσι, αν αφεθεί μόνο του, ένα άτομο θα γυρνάει προς όλες τις κατευθύνσεις. Τη στιγμή που διαταράσσεται θα επιλέξει ένα spin ή μια τιμή και την ίδια στιγμή, το δεύτερο περιπλεγμένο άτομο θα επιλέξει το αντίθετο spin ( ή την αντίθετη τιμή). Αυτό μας επιτρέπει να γνωρίζουμε την τιμή των qubits χωρίς να τα παρατηρούμε άμεσα.

Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι σίγουρο πως μια μέρα θα αντικαταστήσουν τα τσιπ πυριτίου, προς το παρόν όμως η τεχνολογία που απαιτείται για την ανάπτυξη μια τέτοιας υπολογιστικής μηχανής είναι δυστυχώς πολύ μακριά. Και η αλήθεια είναι πως στην πλειοψηφία τους, οι έρευνες για τους κβαντικούς υπολογιστές βρίσκονται ακόμα στο στάδιο της θεωρίας. Ωστόσο, η ελπίδα παραμένει ότι κάποια μέρα οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να εκτελούν, εύκολα και γρήγορα υπολογισμούς που είναι απίστευτα χρονοβόροι για τους συμβατικούς υπολογιστές. Για να πάρουμε λίγο θάρρος...ας δούμε κάποια σημαντικά σημεία στην πρόοδο των κβαντικών υπολογιστών τα τελευταία χρόνια.

1998 : Οι ερευνητές στο Los Alamos και το ΜΙΤ κατόρθωσαν να "απλώσουν" ένα qubit σε κάθε μόριο ενός υγρού διαλύματος αλανίνης ( ένα αμινοξύ που χρησιμοποιείται για να αναλύει την κατάσταση της κβαντική αποσύνθεσης). Το άπλωμα του qubit επέτρεψε στους ερευνητές να χρησιμοποιήσουν την κβαντική περιπλοκή για την μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των φάσεων ως μια έμμεση μέθοδο για την ανάλυση της κβαντικής πληροφορίας.

2000 : Τον Μάρτιο, οι επιστήμονες στο Los Alamos National Laboratory ανακοίνωσαν την ανάπτυξη ενός κβαντικού υπολογιστή 7 - qubit. Ο υπολογιστής χρησιμοποιούσε μαγνητικό πυρηνικό συντονισμό (NMR ) για να χειριστεί τα στοιχειώδη σωματίδια στους ατομικούς πυρήνες των μορίων του τρανσκροτονικού οξέος, ένα απλό υγρό που αποτελείται από μόρια που αποτελούνται από έξι υδρογόνα και τέσσερα άτομα άνθρακα. Ο NMR χρησιμοποιείται για την εφαρμογή ηλεκτρομαγνητικών παλμών, που αναγκάζουν τα σωματίδια να παραταχθούν σε σειρά. Αυτά τα σωματίδια σε κατάλληλες θέσεις μέσα στο μαγνητικό πεδίο επιτρέπουν στον κβαντικό υπολογιστή να μιμείται τις πληροφορίες κωδικοποίησης των bits σε ψηφιακούς υπολογιστές . Τον Αύγουστο οι ερευνητές της IBM, με επικεφαλής τον Δρ Isaac Chuang, στο Ερευνητικό Κέντρο Almaden ανέπτυξαν αυτό που υποστήριξαν οτι ήταν ο πιο προηγμένος κβαντικός υπολογιστής μέχρι σήμερα.

2001 : Επιστήμονες από την IBM και το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ έτρεξαν με επιτυχία τον αλγόριθμο του Shor σε ένα κβαντικό υπολογιστή. Ο αλγόριθμος του Shor είναι μια μέθοδος για την εύρεση των πρώτων παραγόντων ενός αριθμού ( η οποία διαδραματίζει ουσιαστικό ρόλο στην κρυπτογραφία ). Χρησιμοποίησαν έναν υπολογιστή 7 - qubit ωστε να βρούν τους παράγοντες του 15. Ο υπολογιστής ορθώς συνήγαγε ότι οι πρώτοι παράγοντες ήταν το 3 και το 5.

2005 : Το Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικής Πληροφορίας στο Πανεπιστήμιο του Innsbruck ανακοίνωσε ότι οι επιστήμονές του δημιούργησαν το πρώτο qubyte, δηλαδή μια σειρά από 8 qubits, χρησιμοποιώντας παγίδες ιόντων.

2006 : Οι επιστήμονες στο Waterloo και τη Μασαχουσέτη επινόησαν μεθόδους για τον κβαντικό έλεγχο σε ένα σύστημα 12 - qubit. Ο κβαντικός έλεγχος γίνεται όλο και πιο περίπλοκος, όσο τα συστήματα απασχολούν περισσότερα qubits.

2007 : H Καναδική εταιρεία D-Wave παρουσίασε έναν κβαντικό υπολογιστή 16-qubit. Ο υπολογιστής έλυσε ένα παζλ Sudoku καθώς και μερικά άλλα προβλήματα συσχέτισης μοτίβων. Η εταιρεία ισχυρίστηκε οτι θα παράγει συστήματα τα οποία θα έχουν πρακτικές εφαρμογές από το 2008 και μετά. Απο την άλλη μεριά κάποιοι περισσότερο σκεπτικιστές εξέφρασαν την άποψη ότι οι κβαντικοί υπολογιστές εξακολουθούσαν να είναι δεκαετίες μακριά, και ότι το σύστημα D - Wave, δεν είναι επεκτάσιμο.

2008 : Η D-Wave ισχυρίζεται ότι έχει παράγει έναν υπολογιστή 128-qubit, αν και ο ισχυρισμός αυτός δεν επαληθεύτηκε.

2009 : Η Google συνεργάζεται με τα συστήματα D-Wave στην τεχνολογία αναζήτησης εικόνας με χρήση κβαντικών υπολογιστών. Αναπτύσεται επίσης κβαντικός αλγόριθμος για την επίλυση συστημάτων διαφορικών εξισώσεων.Ανακαλύπτεται μέθοδος για τον ηλεκτρικό χειρισμό των qubits. Ως τότε τα qubits χειριζόταν μαγνητικά.

2011 : Η D-Wave εισάγει το προϊόν της που ονομάζεται D-Wave One. Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι αυτός είναι ο πρώτος εμπορικά διαθέσιμος κβαντικός υπολογιστής.

2014 : Έγγραφα που διέρρευσαν από τον Edward Snowden επιβεβαιώνουν το πρότζεκτ "Penetrating Hard Targets", με το οποίο η NSA προσπαθεί να αναπτύξει την ικανότητα για κβαντικούς υπολογισμούς για σκοπούς κρυπτογραφίας.

Εάν κάποτε κατασκευαστούν πραγματικά λειτουργικοί κβαντικοί υπολογιστές, θα είναι πολύτιμοι στη διαχείριση μεγάλων αριθμών και ως εκ τούτου εξαιρετικά χρήσιμοι για την αποκωδικοποίηση και κωδικοποίηση μυστικών πληροφοριών. Εάν κάποιος κατασκεύαζε έναν τέτοιο σήμερα,καμιά πληροφορία στο Internet δε θα ήταν ασφαλής. Αυτό συμβαίνει διότι οι τρέχουσες μέθοδοι κρυπτογράφησης είναι υπερβολικά απλές σε σύγκριση με τις περίπλοκες μεθόδους που είναι δυνατόν να αναπτυχθούν με κβαντικούς υπολογιστές. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την αναζήτηση μεσα σε μεγάλες βάσεις δεδομένων σε ένα κλάσμα του χρόνου που θα χρειαζόταν ένας συμβατικός υπολογιστής. 





Ηλίας Σεκέρης
http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_quantum_computing