Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι σαν το κουτί με τις σοκολάτες του Forrest Gump: ποτέ δεν ξέρεις τι θα πάρεις. Τα κβαντικά φαινόμενα – η συμπεριφορά της ύλης και της ενέργειας σε ατομικό και υποατομικό επίπεδο – είναι διφορούμενα. Είναι αδιαφανή σύννεφα πιθανοτήτων ή, ακριβέστερα, πιθανοτήτων. Όταν κάποιος παρατηρεί ένα κβαντικό σύστημα, αυτό χάνει την κβαντικότητά του και «καταρρέει» σε μια μοναδική κατάσταση.
Τα κβαντικά φαινόμενα είναι μυστηριώδη και συχνά αντιφατικά. Αυτό καθιστά τον κβαντικό υπολογισμό δύσκολο να κατανοηθεί. Οι άνθρωποι καταφεύγουν φυσικά στο οικείο για να εξηγήσουν το άγνωστο, και στον κβαντικό υπολογισμό αυτό συνήθως σημαίνει ότι χρησιμοποιούν τον παραδοσιακό δυαδικό υπολογισμό ως μεταφορά. Αλλά η εξήγηση του κβαντικού υπολογισμού με αυτόν τον τρόπο οδηγεί σε μεγάλη εννοιολογική σύγχυση, επειδή σε θεμελιώδες επίπεδο τα δύο είναι εντελώς διαφορετικά πράγματα.
Αυτό το πρόβλημα υπογραμμίζει τη συχνά εσφαλμένη πεποίθηση ότι οι κοινές μεταφορές είναι πιο χρήσιμες από τις εξωτικές στην εξήγηση των νέων τεχνολογιών. Μερικές φορές η αντίστροφη προσέγγιση είναι πιο χρήσιμη. Η φρεσκάδα της μεταφοράς πρέπει να ταιριάζει με την καινοτομία της ανακάλυψης.
Η μοναδικότητα των κβαντικών υπολογιστών απαιτεί μια ασυνήθιστη μεταφορά. Ως ερευνητής επικοινωνιών που μελετά την τεχνολογία, πιστεύω ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να γίνουν καλύτερα κατανοητοί ως καλειδοσκόπια.
Ψηφιακή βεβαιότητα έναντι κβαντικών πιθανοτήτων
Υπάρχει ένα μεγάλο χάσμα μεταξύ της κατανόησης των κλασικών και των κβαντικών υπολογιστών. Οι κλασικοί υπολογιστές αποθηκεύουν και επεξεργάζονται πληροφορίες μέσω τρανζίστορ, ηλεκτρονικών εξαρτημάτων που υποθέτουν δυαδικές, ντετερμινιστικές καταστάσεις: ένα ή μηδέν, ναι ή όχι. Οι κβαντικοί υπολογιστές, από την άλλη πλευρά, επεξεργάζονται πληροφορίες πιθανολογικά σε ατομικό και υποατομικό επίπεδο.
Οι κλασικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τη ροή του ηλεκτρισμού για να ανοίγουν και να κλείνουν διαδοχικά πύλες και έτσι να καταγράφουν ή να χειρίζονται πληροφορίες. Οι πληροφορίες ρέουν μέσω κυκλωμάτων και ενεργοποιούν ενέργειες μέσω μιας σειράς διακοπτών που καταγράφουν πληροφορίες ως μονάδες και μηδενικά. Στα δυαδικά μαθηματικά, τα bit είναι η βάση όλων των ψηφιακών πραγμάτων, από τις εφαρμογές στο τηλέφωνό σας μέχρι τις εγγραφές λογαριασμού στην τράπεζά σας και τα σήματα Wi-Fi που βουίζουν γύρω από το σπίτι σας.
Αντίθετα, οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται τις αλλαγές στις κβαντικές καταστάσεις των ατόμων, ιόντων, ηλεκτρονίων ή φωτονίων. Οι κβαντικοί υπολογιστές συνδέουν ή εμπλέκουν πολλαπλά κβαντικά σωματίδια έτσι ώστε οι αλλαγές σε ένα σωματίδιο να επηρεάζουν όλα τα άλλα. Στη συνέχεια εισάγουν μοτίβα παρεμβολής, όπως όταν πολλές πέτρες ρίχνονται σε μια λίμνη ταυτόχρονα. Μερικά κύματα συνδυάζονται για να δημιουργήσουν υψηλότερες κορυφές, ενώ μερικά κύματα και κοιλότητες αλληλοεξουδετερώνονται. Προσεκτικά βαθμονομημένα μοτίβα παρεμβολών καθοδηγούν τον κβαντικό υπολογιστή για να λύσει ένα πρόβλημα.
Επίτευξη ενός κβαντικού άλματος εννοιολογικά
Ο όρος “bit” είναι μια μεταφορά. Η λέξη υποδηλώνει ότι όταν κάνει υπολογισμούς, ένας υπολογιστής μπορεί να σπάσει μεγάλες τιμές σε μικρές τιμές – bits πληροφοριών – που μπορούν να υποστούν ευκολότερη επεξεργασία από ηλεκτρονικές συσκευές όπως τρανζίστορ.
Ωστόσο, η χρήση τέτοιων μεταφορών έχει ένα τίμημα. Δεν είναι τέλειοι. Οι μεταφορές είναι ατελείς συγκρίσεις που μεταφέρουν τη γνώση από κάτι που οι άνθρωποι γνωρίζουν καλά σε κάτι που προσπαθούν να κατανοήσουν. Η μεταφορά bit αγνοεί ότι η δυαδική μέθοδος δεν λειτουργεί με πολλούς διαφορετικούς τύπους δυαδικών ψηφίων ταυτόχρονα, όπως υποδηλώνει η κοινή λογική. Αντίθετα, όλα τα bit είναι ίσα.
Η μικρότερη μονάδα ενός κβαντικού υπολογιστή ονομάζεται κβαντικό bit ή qubit. Ωστόσο, η εφαρμογή της μεταφοράς bit σε κβαντικούς υπολογιστές είναι ακόμη λιγότερο κατάλληλη από την εφαρμογή της σε κλασικούς υπολογιστές. Η μεταφορά μιας μεταφοράς από τη μια εφαρμογή στην άλλη αποδυναμώνει τον αντίκτυπό της.
Η κοινή εξήγηση για τον κβαντικό υπολογισμό είναι ότι οι κλασσικοί υπολογιστές μπορούν να αποθηκεύσουν ή να επεξεργαστούν μόνο ένα μηδέν ή ένα σε ένα τρανζίστορ ή άλλη υπολογιστική συσκευή, αλλά οι κβαντικοί υπολογιστές υποτίθεται ότι αποθηκεύουν και μηδενικά και ένα και άλλες τιμές ενδιάμεσα ταυτόχρονα μέσω της διαδικασίας υπέρθεσης μπορεί να επεξεργαστεί.
Ωστόσο, με την υπέρθεση, ούτε ένα ούτε το μηδέν ή οποιοσδήποτε άλλος αριθμός αποθηκεύεται ταυτόχρονα. Υπάρχει απλώς μια προσδοκία ότι οι τιμές θα μπορούσαν να είναι μηδέν ή ένα στο τέλος του υπολογισμού. Αυτή η κβαντική πιθανότητα είναι ακριβώς το αντίθετο από τη δυαδική μέθοδο αποθήκευσης πληροφοριών.
Λόγω της αρχής της αβεβαιότητας της κβαντικής επιστήμης, η πιθανότητα ένα qubit να αποθηκεύει ένα ή μηδέν μοιάζει με τη γάτα του Schrödinger, η οποία μπορεί να είναι είτε νεκρή είτε ζωντανή ανάλογα με τον χρόνο παρατήρησης. Αλλά κατά την υπέρθεση οι δύο διαφορετικές τιμές δεν υπάρχουν ταυτόχρονα. Υπάρχουν μόνο ως πιθανότητες και ένας παρατηρητής δεν μπορεί να προσδιορίσει πότε ή πόσο συχνά υπήρχαν αυτές οι τιμές πριν η παρατήρηση τερματίσει την υπέρθεση.
Καθώς προχωράμε πέρα από αυτές τις προκλήσεις χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεταφορές του δυαδικού υπολογισμού, πρέπει να υιοθετήσουμε νέες μεταφορές για να εξηγήσουμε τον κβαντικό υπολογισμό.
Ψάχνοντας στα καλειδοσκόπια
Η μεταφορά του καλειδοσκόπιου είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την εξήγηση κβαντικών διεργασιών. Τα καλειδοσκόπια μπορούν να δημιουργήσουν απείρως ποικίλα αλλά τακτοποιημένα μοτίβα χρησιμοποιώντας περιορισμένο αριθμό έγχρωμων γυάλινων σφαιριδίων, ανακλαστικών διαχωριστικών και φωτός. Η περιστροφή του καλειδοσκόπιου ενισχύει το αποτέλεσμα, δημιουργώντας ένα απείρως μεταβλητό θέαμα φευγαλέων χρωμάτων και σχημάτων.
Όχι μόνο αλλάζουν τα σχήματα, αλλά και δεν μπορούν να αντιστραφούν. Εάν περιστρέψετε το καλειδοσκόπιο προς την αντίθετη κατεύθυνση, οι εικόνες παραμένουν γενικά οι ίδιες, αλλά η ακριβής σύνθεση κάθε σχήματος ή ακόμα και οι δομές τους αλλάζουν καθώς οι χάντρες αναμειγνύονται τυχαία μεταξύ τους. Με άλλα λόγια, ενώ οι χάντρες, τα φώτα και οι καθρέφτες μπορεί να αναπαράγουν ορισμένα μοτίβα που παρουσιάστηκαν προηγουμένως, δεν είναι ποτέ απολύτως τα ίδια.
Για να χρησιμοποιήσετε τη μεταφορά του καλειδοσκόπιου, η λύση που προσφέρει ένας κβαντικός υπολογιστής – το τελικό μοτίβο – εξαρτάται από το πότε θα σταματήσετε τη διαδικασία υπολογισμού. Ο κβαντικός υπολογισμός δεν αφορά την εικασία της κατάστασης ενός συγκεκριμένου σωματιδίου, αλλά τη χρήση μαθηματικών μοντέλων για τη μελέτη του πώς η αλληλεπίδραση μεταξύ πολλών σωματιδίων σε διαφορετικές καταστάσεις δημιουργεί μοτίβα, που ονομάζονται κβαντικές συσχετίσεις.
Κάθε τελικό μοτίβο είναι η απάντηση σε ένα πρόβλημα που τίθεται στον κβαντικό υπολογιστή και αυτό που λαμβάνετε σε μια λειτουργία κβαντικού υπολογιστή είναι μια πιθανότητα ότι το αποτέλεσμα είναι μια συγκεκριμένη διαμόρφωση.
Νέες μεταφορές για νέους κόσμους
Οι μεταφορές κάνουν το άγνωστο διαχειρίσιμο, προσιτό και ανιχνεύσιμο. Η περιγραφή της έννοιας ενός εκπληκτικού αντικειμένου ή φαινομένου επεκτείνοντας μια υπάρχουσα μεταφορά είναι μια τεχνική τόσο παλιά όσο να ονομάζουμε την άκρη του τσεκούρι «ρίζα» και την επίπεδη πλευρά «πισινό». Οι δύο μεταφορές παίρνουν κάτι που καταλαβαίνουμε πολύ καλά από την καθημερινή ζωή και το εφαρμόζουν σε μια τεχνολογία της οποίας η λειτουργία απαιτεί συγκεκριμένη εξήγηση. Το να αποκαλούμε την άκρη ενός τσεκούρι «ρίζα» υποδηλώνει υποδηλωτικά τι κάνει και προσθέτει την απόχρωση ότι αλλάζει το αντικείμενο στο οποίο εφαρμόζεται. Όταν ένα τσεκούρι διαμορφώνει ή χωρίζει ένα κομμάτι ξύλο, παίρνει ένα «τσίμπημα» από αυτό.
Ωστόσο, οι μεταφορές είναι πολύ περισσότερα από απλά πρακτικά ονόματα και επεξηγήσεις για νέες διαδικασίες. Οι λέξεις που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι για να περιγράψουν νέες έννοιες αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, επεκτείνονται και αποκτούν τη δική τους ζωή.
Όταν αντιμετωπίζετε εντελώς διαφορετικές ιδέες, τεχνολογίες ή επιστημονικά φαινόμενα, είναι σημαντικό να χρησιμοποιείτε φρέσκους και συνοπτικούς όρους που ανοίγουν το μυαλό και αυξάνουν την κατανόηση. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί που θέλουν να εξηγήσουν νέες έννοιες θα ήταν καλό να αναζητήσουν την πρωτοτυπία και να κατακτήσουν τις μεταφορές – με άλλα λόγια, να σκεφτούν τις λέξεις όπως οι ποιητές.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας.
Συγγραφέας: Sorin Adam Matei, Πανεπιστήμιο Purdue.
Διαβάστε περισσότερα:
Ο Sorin Adam Matei δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύεται, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει μετοχές σε οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα ωφεληθεί από αυτό το άρθρο καμία τέτοια εταιρεία ή οργανισμό και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα από την ακαδημαϊκή του απασχόληση.