Η Google και το Ίδρυμα XPrize έχουν ξεκινήσει έναν διαγωνισμό 5 εκατομμυρίων δολαρίων (4 εκατομμύρια £) για την ανάπτυξη πραγματικών εφαρμογών για κβαντικούς υπολογιστές που θα ωφελήσουν την κοινωνία – για παράδειγμα, προωθώντας την πρόοδο σε έναν από τους στόχους του ΟΗΕ επιτάχυνση της βιώσιμης ανάπτυξης. Οι αρχές της κβαντικής φυσικής υποδηλώνουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να εκτελούν πολύ γρήγορους υπολογισμούς σε ορισμένα προβλήματα, επομένως αυτός ο ανταγωνισμός θα μπορούσε να διευρύνει το φάσμα των εφαρμογών στις οποίες έχουν πλεονέκτημα έναντι των παραδοσιακών υπολογιστών.
Στην καθημερινή μας ζωή, ο τρόπος που λειτουργεί η φύση μπορεί γενικά να περιγραφεί από αυτό που ονομάζουμε κλασική φυσική. Αλλά σε μικροσκοπικές κβαντικές κλίμακες – κάτω από το μέγεθος ενός ατόμου – η φύση συμπεριφέρεται εντελώς διαφορετικά.
Ο αγώνας για την εκμετάλλευση της κβαντικής τεχνολογίας μπορεί να θεωρηθεί ως μια νέα βιομηχανική επανάσταση, μεταβαίνοντας από συσκευές που εκμεταλλεύονται τις ιδιότητες της κλασικής φυσικής σε συσκευές που εκμεταλλεύονται τις περίεργες και υπέροχες ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής. Οι επιστήμονες προσπάθησαν για δεκαετίες να αναπτύξουν νέες τεχνολογίες εκμεταλλευόμενοι αυτές τις ιδιότητες.
Δεδομένου ότι συχνά μας λένε ότι οι κβαντικές τεχνολογίες θα φέρουν επανάσταση στην καθημερινότητά μας, μπορεί να εκπλαγείτε όταν μάθετε ότι πρέπει ακόμα να αναζητήσουμε πρακτικές εφαρμογές προσφέροντας ένα βραβείο. Αν και υπάρχουν πολλά επιτυχημένα παραδείγματα χρήσης κβαντικών ιδιοτήτων για τη βελτίωση της ακρίβειας στην ανίχνευση και τον χρονισμό, έχει σημειωθεί εκπληκτικά μικρή πρόοδος στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών που ξεπερνούν τους κλασσικούς προκατόχους τους.
Το μεγαλύτερο εμπόδιο σε αυτή την εξέλιξη είναι ότι το λογισμικό – το οποίο χρησιμοποιεί κβαντικούς αλγόριθμους – πρέπει να επιδεικνύει πλεονέκτημα έναντι των υπολογιστών που βασίζονται στην κλασική φυσική. Αυτό αναφέρεται συνήθως ως «κβαντικό πλεονέκτημα».
Μια βασική διαφορά μεταξύ του κβαντικού υπολογισμού και του κλασικού υπολογισμού είναι η χρήση μιας ιδιότητας γνωστής ως “εμπλέκωση”. Ο κλασικός υπολογισμός χρησιμοποιεί «bits» για να αναπαραστήσει πληροφορίες. Αυτά τα bit αποτελούνται από 1 και 0, και ό,τι κάνει ένας υπολογιστής αποτελείται από ακολουθίες αυτών των 1 και 0. Ωστόσο, ο κβαντικός υπολογισμός επιτρέπει σε αυτά τα bit να υπάρχουν σε μια «υπέρθεση» μονάδων και μηδενικών. Με άλλα λόγια, είναι σαν αυτά τα 1 και τα 0 να εμφανίζονται ταυτόχρονα στο κβαντικό bit ή στο qubit.
Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει την ταυτόχρονη εκτέλεση υπολογιστικών εργασιών. Εξ ου και η πεποίθηση ότι ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να προσφέρει ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι του κλασικού υπολογισμού λόγω της ικανότητάς του να εκτελεί πολλές υπολογιστικές εργασίες ταυτόχρονα.
Διαβάστε περισσότερα: Τι είναι το κβαντικό πλεονέκτημα; Ένας επιστήμονας κβαντικών υπολογιστών εξηγεί ένα επερχόμενο ορόσημο που σηματοδοτεί την άφιξη εξαιρετικά ισχυρών υπολογιστών
Αξιοσημείωτοι κβαντικοί αλγόριθμοι
Ενώ η εκτέλεση πολλών εργασιών ταυτόχρονα θα πρέπει να οδηγήσει σε αύξηση της απόδοσης σε σχέση με τους κλασικούς υπολογιστές, η εφαρμογή της στην πράξη έχει αποδειχθεί πιο δύσκολη από ό,τι υποδηλώνει η θεωρία. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν μόνο λίγοι αξιοσημείωτοι κβαντικοί αλγόριθμοι που μπορούν να εκπληρώσουν τα καθήκοντά τους καλύτερα από αυτά της κλασικής φυσικής.
Πιο αξιοσημείωτα είναι το πρωτόκολλο BB84, που αναπτύχθηκε το 1984, και ο αλγόριθμος Shor, που αναπτύχθηκε το 1994, και οι δύο χρησιμοποιούν εμπλοκή για να ξεπεράσουν τους κλασικούς αλγόριθμους σε ορισμένες εργασίες.
Το πρωτόκολλο BB84 είναι ένα κρυπτογραφικό πρωτόκολλο – ένα σύστημα για την εξασφάλιση ασφαλούς, ιδιωτικής επικοινωνίας μεταξύ δύο ή περισσότερων μερών, το οποίο θεωρείται πιο ασφαλές από συγκρίσιμους κλασικούς αλγόριθμους.
Ο αλγόριθμος του Shor χρησιμοποιεί την εμπλοκή για να δείξει πώς τα τρέχοντα κλασικά πρωτόκολλα κρυπτογράφησης μπορούν να σπάσουν επειδή βασίζονται στην παραγοντοποίηση πολύ μεγάλων αριθμών. Υπάρχουν επίσης στοιχεία ότι μπορεί να εκτελέσει ορισμένους υπολογισμούς πιο γρήγορα από παρόμοιους αλγόριθμους που αναπτύχθηκαν για παραδοσιακούς υπολογιστές.
Παρά την υπεροχή αυτών των δύο αλγορίθμων έναντι των παραδοσιακών αλγορίθμων, ακολούθησαν μόνο λίγοι πλεονεκτικοί κβαντικοί αλγόριθμοι. Ωστόσο, οι ερευνητές δεν σταμάτησαν να προσπαθούν να τα αναπτύξουν. Υπάρχουν επί του παρόντος αρκετές κύριες κατευθύνσεις στην έρευνα.
Πιθανά κβαντικά πλεονεκτήματα
Η πρώτη είναι η χρήση της κβαντικής μηχανικής για την υποστήριξη των λεγόμενων εργασιών βελτιστοποίησης μεγάλης κλίμακας. Η βελτιστοποίηση – η εύρεση του καλύτερου ή πιο αποτελεσματικού τρόπου επίλυσης μιας δεδομένης εργασίας – είναι ζωτικής σημασίας στην καθημερινή ζωή, από τη διασφάλιση αποτελεσματικής ροής κυκλοφορίας έως τη διαχείριση λειτουργιών σε αγωγούς εργοστασίων έως τις υπηρεσίες ροής που αποφασίζουν τι θα παραδώσουν σε όλους όσους προτείνουν οι χρήστες. Φαίνεται ξεκάθαρο ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να βοηθήσουν σε αυτά τα προβλήματα.
Εάν μπορούσαμε να μειώσουμε τον υπολογιστικό χρόνο που απαιτείται για τη βελτιστοποίηση, θα μπορούσαμε να εξοικονομήσουμε ενέργεια και να μειώσουμε το αποτύπωμα άνθρακα των πολλών υπολογιστών που εκτελούν αυτήν τη στιγμή αυτές τις εργασίες σε όλο τον κόσμο και των κέντρων δεδομένων που τις υποστηρίζουν.
Μια άλλη εξέλιξη που θα μπορούσε να προσφέρει εκτεταμένα οφέλη είναι η χρήση κβαντικού υπολογισμού για την προσομοίωση συστημάτων, όπως συνδυασμοί ατόμων, που συμπεριφέρονται σύμφωνα με την κβαντική μηχανική. Για παράδειγμα, η κατανόηση και η πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν τα κβαντικά συστήματα στην πράξη θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερο σχεδιασμό φαρμάκων και καλύτερες ιατρικές θεραπείες.
Τα κβαντικά συστήματα θα μπορούσαν επίσης να οδηγήσουν σε βελτιωμένες ηλεκτρονικές συσκευές. Καθώς τα τσιπ υπολογιστών γίνονται μικρότερα, εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα, μειώνοντας πιθανώς την απόδοση των συσκευών. Μια καλύτερη θεμελιώδης κατανόηση της κβαντικής μηχανικής θα μπορούσε να βοηθήσει να αποφευχθεί αυτό.
Ενώ έχουν γίνει σημαντικές επενδύσεις στην κατασκευή κβαντικών υπολογιστών, έχει δοθεί λιγότερη εστίαση στη διασφάλιση ότι ωφελούν άμεσα το κοινό. Αλλά αυτό τώρα φαίνεται να αλλάζει.
Το αν όλοι θα έχουμε κβαντικούς υπολογιστές στο σπίτι τα επόμενα 20 χρόνια παραμένει αμφίβολο. Όμως, δεδομένης της τρέχουσας οικονομικής δέσμευσης για την εφαρμογή του κβαντικού υπολογισμού στην πράξη, φαίνεται ότι η κοινωνία είναι επιτέλους καλύτερα σε θέση να τον χρησιμοποιήσει. Πώς ακριβώς θα μοιάζει αυτό; Διακυβεύονται 5 εκατομμύρια δολάρια για να μάθουμε.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
Ο Adam Lowe δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύει, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα επωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα από την ακαδημαϊκή τους απασχόληση.