Τι είναι επιτέλους οι Κβαντικοί Υπολογιστές και... γιατί έρχονται;

Αν ακούς "Κβαντικός Υπολογιστής" και νομίζεις πως "βγαίνει" καινούριο laptop, κάνεις λάθος. Κι όμως, οι κβαντικοί υπολογιστές μια μέρα θα αλλάξουν τον κόσμο. Ο άνθρωπος είναι εκ φύσεως προικισμένος με ακόρεστη περιέργεια. Αυτό ίσως είναι και το χαρακτηριστικό που έχει φτάσει την ανθρωπότητα στο σημείο που βρίσκεται σήμερα. Αυτή η περιέργεια έκανε τους πρώτους επιστήμονες και, αρκετά αργότερα, έκανε κάποιους από αυτούς να ανακαλύψουν την κβαντική φυσική. Δεν ήθελε και πολύ χρόνο μετά από αυτό, για κάποιους εξ αυτών να ανακαλύψουν πως, μέσω της κβαντικής φυσικής, μπορούν να φτιάξουν πανίσχυρους υπολογιστές. Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα με τη σειρά.

Κβαντική Φυσική

Η Φυσική, ως επιστήμη, μελετά τα πάντα. Από τις κινήσεις των πλανητών, των άστρων και των γαλαξιών, μέχρι τις κινήσεις και τις αλληλεπιδράσεις ατόμων και σωματιδίων όπως τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Στα πρώτα χρόνια του περασμένου αιώνα, ήδη οι φυσικοί είχαν αρχίσει να παρατηρούν πως, όσο "κοίταζαν" όλο και πιο μικρά αντικείμενα, φτάνοντας στα "συστατικά" της ύλης, τα πράγματα γίνονταν όλο και πιο παράξενα. Εκεί, οι παλαιότερες θεωρίες αδυνατούσαν να λειτουργήσουν και οι προβλέψεις τους αποδεικνύονταν εντελώς λανθασμένες.Κάπου εκεί, δημιουργήθηκε η Κβαντική Φυσική, μετά από τη συνεργασία και τη συνεισφορά πολλών κορυφαίων επιστημόνων, μεταξύ των οποίων και ο Αϊνστάιν, ο Σρέντιγκερ και η Κιουρί. Η θεωρία που προέκυψε ήταν τόσο δύσκολη στην κατανόηση που, για παράδειγμα, ο ίδιος ο Αϊνστάιν αρνούταν να την αποδεχθεί, πιστεύοντας πως κάτι μας διαφεύγει. Λόγω του ότι η θεωρία βασίζεται σε πιθανότητες, μάλιστα, ο Αϊνστάιν είχε πει πως "ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν". Για να μη μακρηγορούμε, όμως, ένα βασικό χαρακτηριστικό των μικροσκοπικών σωματιδίων είναι πως μπορούν να βρίσκονται σε δύο (ή και περισσότερες) καταστάσεις ταυτοχρόνως. Για παράδειγμα, σκέψου ένα κέρμα, το οποίο έχει δύο πλευρές: κορώνα και γράμματα. Αν "στρίψεις" ένα κέρμα, θα πέσει με μια πλευρά πάνω. Όμως, όσο περιστρέφεται στον αέρα, δε μπορείς να πεις αν "είναι" κορώνα ή γράμματα. Είναι, εν δυνάμει, και τα δύο, μέχρι να πέσει κάτω.

Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές

Όπως όλοι γνωρίζουμε, οι ψηφιακοί υπολογιστές λειτουργούν με βάση τα bits, τις "στοιχειώδεις" μονάδες δεδομένων. Ένα bit μπορεί να είναι είτε 0 (μηδέν) είτε 1 (ένα). Οι υπολογιστές αναπαριστούν τα πάντα μέσα από σειρές από 0 και 1, από bits δηλαδή, και κάνοντας αριθμητικές και λογικές "πράξεις" σε αυτά, μπορούν να παίξουν μουσική, να σου επιτρέψουν να μιλήσεις με κάποιον στην άλλη άκρη του κόσμου, ή να διαβάσεις αυτό το κείμενο μέσα από το internet. Σε κάθε περίπτωση, όμως, οι "πράξεις" που πραγματοποιούν οι υπολογιστές, γίνονται μία - μία. Για παράδειγμα, αν ανοίξεις το "κομπιουτεράκι" του υπολογιστή και κάνεις 5 + 3, κάπου βαθιά μέσα στον επεξεργαστή, ένα κύκλωμα θα κάνει την πρόσθεση 00000101 + 00000011 (τα 5 και 3 σε bits) και (μετά από πολλούς ακόμη υπολογισμούς) θα δεις στην οθόνη σου το 8.Αν και οι υπολογιστές γίνονται όλο και πιο γρήγοροι με το πέρασμα του χρόνου, υπάρχουν προβλήματα τα οποία, για να γίνουν όλες οι αναγκαίες πράξεις και υπολογισμοί, ακόμη και ο πιο γρήγορος υπολογιστής θα χρειαζόταν χρόνια ή αιώνες. Προφανώς, υπάρχουν και ακόμη πιο περίπλοκα προβλήματα, τα οποία για να λυθούν θα ήθελαν χρόνο μεγαλύτερο από την ηλικία του ίδιου του σύμπαντος.

Η μεγάλη διασταύρωση

Η περιέργεια των επιστημόνων που προαναφέραμε, οδήγησε σε μια μεγάλη ιδέα. Είπαμε πως υπάρχουν σωματίδια τα οποία μπορεί να είναι ταυτοχρόνως "κορώνα" και "γράμματα", και είπαμε πως τα bits είναι είτε 0 είτε 1. Το πρώτο λογικό άλμα ήταν η ιδέα: "κι αν φτιάξουμε ένα 'κβαντικό' bit, το οποίο να είναι ταυτοχρόνως ΚΑΙ 0 ΚΑΙ 1, τι θα γίνει;"Η απάντηση, προφανώς, ήταν πως οι σημερινοί υπολογιστές δε μπορούν να διαχειριστούν κάτι τέτοιο. Οπότε οι επιστήμονες έκατσαν και σχεδίασαν ειδικούς υπολογιστές που να μπορούν! Και ονόμασαν αυτά τα "ειδικά" bits που μπορούν να είναι ταυτοχρόνως και 0 και 1, qubits -- quantum bits ή κβαντικά bits. Το δεύτερο άλμα ήταν η ερώτηση: "αν έχω μια σειρά από qubits, τι είδους 'πράξεις' μπορώ να κάνω;" Εδώ η απάντηση είναι πολύ πολύ ενδιαφέρουσα! Από τη στιγμή που έχουμε σειρές από qubits, τότε οι πράξεις μεταξύ τους μας δίνουν ΟΛΑ τα δυνατά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, αν προσθέσουμε δύο τετράδες από qubits, τότε θα πάρουμε όλα τα πιθανά αθροίσματα δύο τετρά-bit-ων αριθμών! Με μία κίνηση!Η τρίτη ερώτηση ήταν σημαντική: "εγώ όμως θέλω ένα αποτέλεσμα, όχι όλα! Πως τα 'ξεμπλέκω';" Και εδώ οι επιστήμονες κατάφεραν και βρήκαν λύσεις: σχεδίασαν ειδικές διεργασίες και αλγορίθμους, οι οποίοι μπορούν να "ξεδιαλέξουν" την επιθυμητή απάντηση από το "χάος" του συνόλου των πιθανών απαντήσεων. Συνεχίζοντας το προηγούμενο παράδειγμα του "5 + 3", η απάντηση που θα παίρναμε προσθέτοντας δύο ακεραίους (έστω 4 qubits ο καθένας) θα ήταν... 256 πιθανά αθροίσματα. Όμως, με τον κατάλληλο αλγόριθμο, μπορούμε να βρούμε μέσα σ' αυτά, το άθροισμα που μας κάνει, δηλαδή το "8". Φτάσαμε αισίως στην τελευταία ερώτηση: "και πως φτιάχνουμε έναν κβαντικό υπολογιστή;" Εδώ τα πράγματα δυσκόλεψαν πολύ. Βλέπεις, η κβαντική φυσική -- το είπαμε από την αρχή -- λειτουργεί με πολύ "περίεργους" τρόπους. Οι επιστήμονες δουλεύουν δεκαετίες πάνω στο πρόβλημα και μόλις τώρα -- 5 ή 6 χρόνια -- κατάφεραν να κατασκευάσουν τους πρώτους κβαντικούς υπολογιστές. Και μάλιστα, αυτοί ακόμη βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο.

Και τώρα τι;

Ακόμη βρισκόμαστε στο... μαιευτήριο! Όμως, πολύ σύντομα θα δούμε κβαντικούς υπολογιστές να λύνουν προβλήματα σε ερευνητικά κέντρα και, λίγο αργότερα, σε μεγάλες εταιρίες. Μην ξεχνάς πως, και οι "απλοί" ηλεκτρονικοί υπολογιστές, ξεκίνησαν από εργαστήρια και ερευνητικά κέντρα και πέρασαν δεκαετίες μέχρι να μπουν στα σπίτια μας. Αλλά τι μπορούν να κάνουν, σε πρακτικό επίπεδο;Σκέψου έναν υπολογιστή, ο οποίος να "σπάει" κρυπτογραφημένα μηνύματα -- που οι "συμβατικοί" υπολογιστές θα χρειάζονταν αιώνες υπολογισμών -- σε δευτερόλεπτα, δοκιμάζοντας ΟΛΑ τα πιθανά "κλειδιά" μεμιάς. Σκέψου έναν υπολογιστή, ο οποίος θα δοκιμάζει, με μία κίνηση, όλα τα πιθανά φάρμακα για μια ασθένεια, και να βρίσκει το καλύτερο. Σκέψου έναν υπολογιστή, ο οποίος να παρακολουθεί την κίνηση των αυτοκινήτων και να βρίσκει σε δέκατα του δευτερολέπτου το πως να ρυθμίσει τα φανάρια, ώστε να μην υπάρχει πουθενά μποτιλιάρισμα. Τέλος σκέψου έναν υπολογιστή, ο οποίος να αναλύει όλα τα σχέδια, τις παραλλαγές και τις εκδοχές του... εαυτού του, και να σχεδιάζει έναν ακόμη καλύτερο και ακόμη πιο αποδοτικό νέο υπολογιστή. Αυτό είναι το μέλλον που μας επιφυλάσσουν οι κβαντικοί υπολογιστές. Με τέτοιες δυνατότητες, ακόμη και το "ιερό δισκοπότηρο" της αληθινής τεχνητής νοημοσύνης, ενός computer που σκέφτεται, ίσως γίνει εφικτό.