Στα μέσα του 20ού αιώνα ο Alan Turing έθεσε τα θεμέλια της κλασικής
υπολογιστικής, δείχνοντας τι μπορεί και τι δεν μπορεί να υπολογίσει μια
μηχανή βήμα προς βήμα. Εκείνη την εποχή όλα φάνταζαν καθαρά: οι
υπολογιστές θα ήταν πάντα μηχανές που εκτελούν σειριακά εντολές πάνω σε
bits, μικρές μονάδες που παίρνουν την τιμή 0 ή 1. Όμως η ίδια η φύση δεν
λειτουργεί έτσι. Στον μικρόκοσμο της κβαντικής φυσικής, τα σωματίδια
δεν έχουν μόνο μία κατάσταση αλλά μπορούν να βρίσκονται σε πολλές
πιθανότητες ταυτόχρονα.
Τη δεκαετία του 1980 ο φυσικός Richard Feynman και ο David Deutsch άνοιξαν τον δρόμο προτείνοντας ότι, αν η φύση είναι κβαντική, τότε ένας υπολογιστής που θα βασιζόταν σε κβαντικούς κανόνες θα μπορούσε να προσομοιώσει φαινόμενα που οι κλασικοί υπολογιστές αδυνατούν να συλλάβουν. Στα μέσα της δεκαετίας του ’90, δύο αλγόριθμοι έδωσαν σάρκα και οστά στη θεωρία: ο Peter Shor απέδειξε ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να «σπάσει» την κρυπτογράφηση που στηρίζεται στη δυσκολία παραγοντοποίησης μεγάλων αριθμών, ενώ ο Lov Grover έδειξε πώς η αναζήτηση σε μια τεράστια βάση δεδομένων θα μπορούσε να γίνει πολύ ταχύτερα από οποιονδήποτε κλασικό τρόπο.
Από εκεί και πέρα άρχισε η μετάβαση από τη θεωρία στην πράξη. Εργαστήρια σε όλο τον κόσμο προσπάθησαν να υλοποιήσουν qubits με διαφορετικά φυσικά μέσα: παγιδευμένα ιόντα, υπεραγώγιμα κυκλώματα, ακόμη και φωτόνια. Οι πρώτες συσκευές μπορούσαν να χειριστούν μόλις λίγα qubits, αλλά μέσα σε τρεις δεκαετίες φτάσαμε σε συστήματα με δεκάδες ή εκατοντάδες qubits, αρκετά για να γίνουν πειράματα που δεν μπορεί να αναπαράγει ένας κλασικός υπερυπολογιστής. Σήμερα μεγάλες εταιρείες όπως η IBM, η Google και η Microsoft, αλλά και ερευνητικά κέντρα πανεπιστημίων, έχουν πλέον κβαντικούς υπολογιστές σε λειτουργία, έστω και με περιορισμούς.
Πώς όμως δουλεύουν; Ο κλασικός υπολογιστής βασίζεται σε bits που είναι ανοιχτά ή κλειστά, όπως ένας διακόπτης στον τοίχο. Ο κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί qubits που μπορούν να είναι και ανοιχτά και κλειστά ταυτόχρονα. Μια απλή εικόνα είναι το κέρμα που γυρίζει στον αέρα: όσο στριφογυρίζει είναι ταυτόχρονα κορώνα και γράμματα και μόνο όταν πέσει γίνεται το ένα ή το άλλο. Αυτή είναι η υπέρθεση.
Στους κλασικούς υπολογιστές οι πολλοί συνδυασμοί bits υπάρχουν ως δυνατότητα αλλά μόνο ένας κάθε φορά είναι πραγματικός. Αν έχουμε δέκα bits, υπάρχουν πάνω από χίλιοι πιθανοί συνδυασμοί, όμως ο υπολογιστής κρατάει έναν και για να τους δει όλους πρέπει να τους ελέγξει διαδοχικά. Στα qubits τα ίδια δέκα δεν βρίσκονται σε μία κατάσταση αλλά σε υπέρθεση όλων μαζί. Είναι σαν να έχουμε όλα τα πιθανά κλειδιά ενός λουκέτου απλωμένα στο τραπέζι ταυτόχρονα, όχι κρυμμένα στο συρτάρι για να τα δοκιμάζουμε ένα ένα. Οι κβαντικές πράξεις εφαρμόζονται πάνω σε όλο αυτό το μείγμα καταστάσεων μονομιάς, και στη συνέχεια η παρεμβολή φροντίζει ώστε οι λάθος πιθανότητες να ακυρωθούν και η σωστή να ενισχυθεί. Έτσι ο κβαντικός υπολογιστής δεν χρειάζεται να τρέχει όλες τις περιπτώσεις μία μία, αλλά δουλεύει πάνω σε όλες παράλληλα.
Η παρεμβολή είναι γνωστή από τα κύματα. Όταν δύο κύματα συναντηθούν, μπορούν να ενωθούν και να δυναμώσουν ή να σβήσουν το ένα το άλλο. Κάπως έτσι δουλεύει και ο κβαντικός υπολογιστής: με τις σωστές πράξεις, οι λάθος λύσεις σβήνουν και η σωστή ξεχωρίζει. Όταν μετράμε το αποτέλεσμα, η πιθανότητα να πάρουμε τη σωστή απάντηση είναι πολύ μεγαλύτερη από όλες τις άλλες.
Αν το δούμε πρακτικά, είναι σαν να έχουμε ένα λουκέτο με αμέτρητα πιθανά κλειδιά. Ένας κλασικός υπολογιστής θα τα δοκίμαζε διαδοχικά. Ένας κβαντικός μπορεί να τα χειριστεί όλα ταυτόχρονα και με την παρεμβολή να αφήσει μόνο το σωστό να φανεί. Έτσι προβλήματα που για τους ισχυρότερους σημερινούς υπολογιστές θα ήθελαν αιώνες, ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να τα λύσει σε λίγα λεπτά.
Αυτό ανοίγει δρόμους για την ανακάλυψη νέων φαρμάκων, τον
σχεδιασμό καινοτόμων υλικών, την πρόβλεψη του κλίματος και την ασφάλεια
των επικοινωνιών. Δεν είναι απλώς ένα πιο γρήγορο μηχάνημα, αλλά μια
τομή στον τρόπο που σκεφτόμαστε τον ίδιο τον υπολογισμό. Στηρίζεται σε
αρχές που μοιάζουν ξένες στην καθημερινή εμπειρία αλλά είναι βαθιά
λογικές: ότι κάτι μπορεί να είναι πολλά πράγματα μαζί και ότι η
αλληλεπίδραση αυτών των πιθανοτήτων μπορεί να ξεκαθαρίσει το χάος και να
αναδείξει μια απάντηση. Αυτή η διαφορετική οπτική είναι που την κάνει
ξεχωριστή.
Βιβλιογραφία
Feynman, R. (1982). Simulating physics with computers. International Journal of Theoretical Physics, 21(6–7), 467–488.
Deutsch, D. (1985). Quantum theory, the Church–Turing principle and the universal quantum computer. Proceedings of the Royal Society.
A.Shor, P. (1994). Algorithms for quantum computation: Discrete logarithms and factoring. Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science.
Grover, L. (1996). A fast quantum mechanical algorithm for database search. Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on Theory of Computing.
Nielsen, M. & Chuang, I. (2010). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press.
IBM Quantum, McKinsey & Co., RAND Corporation, CSIS – σύγχρονες αναλύσεις και εκλαϊκευτικά άρθρα για την πρόοδο και τις εφαρμογές της κβαντικής υπολογιστικής
