Κβαντικός Υπολογιστής, Bits vs Qubit

Φωτονικοί Κβαντικοί Υπολογιστές

     Κβαντικός υπολογιστής ονομάζεται οποιαδήποτε υπολογιστική συσκευή κάνει χρήση χαρακτηριστικών κβαντομηχανικών ιδιοτήτων για την επεξεργασία των δεδομένων.

   Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν με το χειρισμό κβαντικών αντικειμένων, όπως, για παράδειγμα, τα μεμονωμένα φωτόνια, τα ηλεκτρόνια, ή τα άτομα, και με την αξιοποίηση των μοναδικών κβαντικών χαρακτηριστικών. 

   Βέβαια, δεν υπόσχονται μόνο μια δραματική αύξηση στην ταχύτητα σε σχέση με τους κλασικούς υπολογιστές σε μια ποικιλία υπολογιστικών εργασιών, αλλά έχουν σχεδιαστεί για την ολοκλήρωση εργασιών που ακόμη και ένας υπερυπολογιστής δεν θα μπορούσε να χειριστεί. 

   Παρά το γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια υπάρχει μια ταχεία ανάπτυξη στην κβαντική τεχνολογία, η υλοποίηση ενός πλήρους κβαντικού υπολογιστή εξακολουθεί να έχει δυσκολίες. 
   Αν και εξακολουθεί να είναι ένα συναρπαστικό ανοιχτό ερώτημα το ποια αρχιτεκτονική και ποια κβαντικά αντικείμενα θα οδηγήσουν τελικά στην υπέρβαση σε απόδοση των συμβατικών υπερυπολογιστών, τα τρέχοντα πειράματα δείχνουν ότι ορισμένα κβαντικά αντικείμενα είναι πιο κατάλληλα από άλλα για συγκεκριμένες υπολογιστικές εργασίες.

Qubit

   Στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας είναι το qubit και οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν μεταξύ άλλων να ερευνήσουν μεγάλες και αδόμητες βάσεις δεδομένων με πρωτοφανή ταχύτητα, να σπάσουν κρυπτογραφικούς κώδικες και να επιλύσουν προβλήματα τα οποία οι συμβατικοί υπολογιστές αδυνατούν. 

   Επιστήμονες της ομάδας του Philip Walther από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βιέννης κατάφεραν να φτιάξουν ένα πρωτότυπο μοντέλο κβαντικού υπολογιστή, εξαιρετικά αποδοτικό στην αξιοποίηση πόρων, τον υπολογιστή δειγματοληψίας μποζονίων.

   Η αξιοποίηση των μοναδικών χαρακτηριστικών του κβαντικού κόσμου υπόσχεται μια δραματική επιτάχυνση στην επεξεργασία των πληροφοριών σε σχέση με τις πιο γρήγορες κλασσικές μηχανές που υπάρχουν. 

Bits vs  Qubit

   Ο Πόλεμος έχει αρχίσει καιρό τώρα... 
Τα συμβατικά δυαδικά συστήματα που βασίζονται σε δεδομένα που κωδικοποιούνται σε bits (στην στοιχειώδη μονάδα πληροφορίας στην επιστήμη των υπολογιστών και μπορούν να έχουν την μορφή 0 και 1). 

   Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τα qubits.  Τα qubits, ή αλλιώς quantum bits, 
(η στοιχειώδης μονάδα κβαντικής πληροφορίας) μπορεί να είναι το καθένα του τιμή 0 ή και 1 ή… και  οτιδήποτε στο μεσοδιάστημα !

   Η διαφορά από το «κλασσικό» δυαδικό ψηφίο (bit) είναι ότι ενώ το bit μπορεί να πάρει μόνο μια από δύο δυνατές τιμές, (είτε μηδέν 0 είτε ένα 1) το qubit είναι μια υπέρθεση (άθροισμα) και των δύο καταστάσεων ταυτόχρονα. Όταν μετρηθεί, το qubit «προβάλλεται» σε μία από τις δυνατές καταστάσεις: ,, με ορισμένη πιθανότητα να περιέλθει σε κάθε μία από αυτές. 
   Το άθροισμα των πιθανοτήτων είναι, βέβαια, ίσο με τη μονάδα (ή 100%).
   Δανειζόμαστε ένα παράδειγμα που διαβάσαμε στο Gizmodo, ώστε να κάνουμε μια "αναπαράσταση" μέσα από την πράξη:

"Φανταστείτε ένα τραπέζι στρωμένο με νομίσματα. Σε ένα κλασσικό υπολογιστή, κάθε ένα από αυτά τα νομίσματα, θα δείχνει κορώνα ή γράμματα. Στον κβαντικό υπολογιστή, κάθε νόμισμα μπορεί να δείχνει 25% κορώνα και 75% γράμματα. Ή 19% γράμματα και 81% κορώνα. Κάθε νόμισμα δηλαδή, μπορεί να έχει την οποιαδήποτε θέσει ανάμεσα στην μία πλευρά και την άλλη. Και μόλις μετρηθεί η θέση του, να πάρει τελικά τη θέση εκείνη που θα του έχει δείξει η τοποθέτησή μας και η βαρύτητα στο τραπέζι."

   Επειδή ακριβώς κάθε qubit μπορεί να εμπεριέχει ένα τόσο μεγάλο αριθμό από πιθανές αξίες πέρα από το 0 ή το 1, ένας ελάχιστον αριθμός από qubit μπορούν να φέρουν απίστευτες ποσότητες πληροφορίες. 100 qubit και μόνο, μπορούν να αποθηκεύσουν 1.267.650.600.288.229.401.496.703.205.375 διαφορετικούς αριθμούς. 
   Ποσότητα που αποτελεί ένα τρισεκατομμύριο φορές την αποθηκευτική ικανότητα όλων των υπολογιστών που έχουν φτιαχτεί ποτέ.

Η υπολογιστική δύναμη των φωτονίων

   Το μεγάλο πλεονέκτημα των φωτονίων, ένα ιδιαίτερο είδος από τα μποζόνια, έγκειται στην υψηλή κινητικότητα. 
   Η ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης, σε συνεργασία με επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Jena (Γερμανία), υλοποίησε πρόσφατα ένα υπολογιστή δειγματοληψίας μποζονίου, ο οποίος χρησιμοποιεί ακριβώς αυτό το χαρακτηριστικό των φωτονίων. 

   Εισήγαγαν φωτόνια σε ένα σύνθετο δίκτυο οπτικών ινών, όπου θα μπορούσαν να διαδίδονται κατά μήκος τους από πολλά διαφορετικά μονοπάτια. «Σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής φυσικής, τα φωτόνια φαίνεται να λαμβάνουν όλες τις πιθανές διαδρομές, ταυτόχρονα. Αυτό είναι γνωστό ως υπέρθεση. 
   Περιέργως, κάποιος μπορεί να καταγράψει το αποτέλεσμα του υπολογισμού χοντρικά, καθώς μπορεί να μετρήσει πόσα φωτόνια βγαίνουν σε κάθε έξοδο του δικτύου», εξηγεί ο Philip Walther από το Τμήμα Φυσικής.

Πώς μπορεί αυτό να νικήσει έναν υπερυπολογιστή;

   Ένας κλασικός υπολογιστής στηρίζεται σε μια ακριβή περιγραφή του οπτικού δικτύου για τον υπολογισμό της διάδοσης των φωτονίων μέσα από αυτό το κύκλωμα. 
   Για μερικές δεκάδες φωτόνια ενός οπτικού δικτύου με μόνο εκατό εισόδους και εξόδους, ακόμα και ο ταχύτερος σήμερα κλασικός υπερυπολογιστής δεν είναι σε θέση να υπολογίσει τη διάδοση των φωτονίων. 
   Ωστόσο, για έναν υπολογιστή δειγματοληψίας μποζονίων, αυτός ο φιλόδοξος στόχος είναι εφικτός. 

   Οι ερευνητές ανταποκρίθηκαν στην πρόκληση και έχτισαν ένα πρωτότυπο με βάση μια θεωρητική πρόταση από τους επιστήμονες στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT). 
   - «Είναι ζωτικής σημασίας να ελέγχουμε τη λειτουργία του υπολογιστή δειγματοληψίας μποζονίων, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με τις προβλέψεις της κβαντικής φυσικής. 

   Ειρωνικά, η δοκιμή αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο σε ένα κλασικό υπολογιστή. 
   Ευτυχώς, για αρκετά μικρά συστήματα, οι κλασικοί υπολογιστές εξακολουθούν να είναι σε θέση να τα καταφέρουν», όπως ο Max Tillmann, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης, επισημαίνει. 

   Έτσι, οι ερευνητές με επιτυχία έδειξαν ότι η υλοποίηση του υπολογιστή δειγματοληψίας μποζονίου λειτουργεί με μεγάλη ακρίβεια. Τα ενθαρρυντικά αυτά αποτελέσματα μπορεί να ανοίξουν το δρόμο για τον πρώτο υπεραποδοτικό υπολογιστή στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον.

   Ακούγεται σαν παραμύθι. Δεν είναι όμως. Υπάρχουν δυσκολίες. Οι τόσο μεγάλες δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών, έχουν δημιουργήσει τρία βασικά προβλήματα προς το παρόν:

   Α. Δεν είναι σίγουρο ότι έχουν φτιαχτεί αξιόπιστοι κβαντικοί υπολογιστές γιατί κανείς δεν ξέρει ακριβώς πώς να τους φτιάξει ακόμα (κι ας έχουν γίνει τα πρώτα βήματα)

   Β. Δεν γνωρίζει κάποιος ακόμα πώς να γράψει κώδικα γι αυτούς τους υπολογιστές

   Γ. Η υπολογιστική τους δυνατότητα είναι τόσο μεγάλη, που δεν μπορεί κανείς να εξακριβώσει αν τα αποτελέσματα που θα δώσουν σε προβλήματα, είναι σωστά ή όχι.
   Το μέλλον είναι τώρα... Εδώ.... Μας περιμένει...

Πηγή

album