Στα Χανιά ετοιμάζουν τη… νέα ισχύς των υπερυπολογιστών του μέλλοντος
→Η έρευνα έχει γοητεία και μαγεία άσχετα από το τελικό αποτέλεσμα
«Οι Ελληνες ερευνητές πιστεύουν ότι σε λιγότερο από ένα χρόνο θα έχουν κατασκευαστεί στη Σιγκαπούρη με τη δική τους συμβολή τα πρώτα φωτονικά κβαντικά τσιπάκια
Συνέντευξη στην Αλεξάνδρα Λεφοπούλου
Ο John Von Neumann, ένας από τους πιο σημαντικούς μαθηματικούς, που ασχολήθηκε μεταξύ άλλων ιδιαίτερα με την κβαντική θεωρία, είχε πει ότι την κβαντική θεωρία απλά τη συνηθίζεις, δεν την καταλαβαίνεις πολύ. Η φράση αυτή ακούγεται ανακουφιστική σχεδόν για όποιον διαβεί το κατώφλι για μια επαφή μαζί της, μια και θα νιώσει τη σαγήνη μιας άλλης προσέγγισης, μιας πόρτας στο μέλλον και ταυτόχρονα θα σκεφτεί να την αφήσει. Σήμερα, παρά τις όποιες αμφισβητήσεις έχουν ακουστεί κατά καιρούς σχετικά με την κβαντική θεωρία, μια σειρά από προβλήματα στον χώρο της επιστήμης των υπολογιστών περιμένουν να βρουν τη λύση τους μέσα από τις νέες δυνατότητες που αυτή προσφέρει.
Για τα όρια της επιστήμης των υπολογιστών, τις νέες δυνατότητες, αλλά και την ερευνητική εργασία που πραγματοποιεί σε συνεργασία με την ερευνητική του ομάδα μάς μιλά ο καθηγητής της Σχολής Ηλεκτρονικών Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών των Πολυτεχνείου Κρήτης, Δημήτρης Αγγελάκης, ο οποίος παράλληλα είναι βασικός ερευνητής στο κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών της Σιγκαπούρης, της ασιατικής Σίλικον Βάλεϊ.
Οσοι ασχολούνται ή είναι σχετικοί με την κβαντική υπολογιστών μιλούν όχι μόνο περί αναγκαιότητας για παραγωγή υπερμηχανών, αλλά και για νέες προσεγγίσεις. Ο κ. Δημήτρης Αγγελάκης μας εξηγεί:
Στη δεκαετία του 2010, χτυπώντας το «κβαντικό όριο», αναγκαστικά πλέον θα βρεθούμε αντιμέτωποι με μια διαφορετικού είδους «αναγκαιότητα», η οποία από τη φύση της οδηγεί σε νέες προσεγγίσεις. Η κβαντική φυσική υποστηρίζει πως οτιδήποτε γνωρίζαμε μέχρι σήμερα αλλάζει ριζικά στον μικρόκοσμο. Κανείς για παράδειγμα δεν μπορεί να καταλάβει σε ικανοποιητικό επίπεδο πώς μπορεί το ηλεκτρόνιο να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ή σε δύο σημεία του χώρου ταυτόχρονα, αλλά αυτό είναι που συμβαίνει και όλα τα πειράματα μέχρι τώρα τα τελευταία 100 χρόνια αυτό επαληθεύουν.
Εφαρμόζοντας την παραπάνω αρχή της κβαντικής υπέρθεσης στη θεωρία πληροφορίας, το λογικό «μηδέν» και το «ένα» παύουν να υπάρχουν με τη μορφή που τα ξέρουμε. Αντ' αυτού έχουμε μια καινούργια θεωρία πληροφορίας που βασίζεται στα άτομα και τα φωτόνια, τη «φυσική της πληροφορίας», η οποία είναι συμβατή με τα πειράματα στον μικρόκοσμο αλλά ταυτόχρονα προβλέπει τη λύση τρομερά δύσκολων υπολογιστικών προβλημάτων σε πολύ λιγότερο χρόνο.
Τα τελευταία 20 χρόνια μπορεί να πει κανείς ότι ζούμε το πάντρεμα δύο επιστημών: της κβαντικής φυσικής και της επιστήμης των υπολογιστών, που συνδυάζονται στη φυσική της πληροφορίας. Τα πιο εντυπωσιακά αποτελέσματα, τα παιδιά αυτού του γάμου, ας πούμε, είναι ίσως οι κβαντικοί αλγόριθμοι παραγοντοποίησης μεγάλων αριθμών και αναζήτησης ενός δεδομένου σε μια μεγάλη λίστα. Και στις δύο περιπτώσεις έχουμε μείωση του αντίστοιχου αριθμού βημάτων και του υπολογιστικού χρόνου κατά τάξεις μεγέθους.
Από την άλλη, οι κβαντικοί υπολογιστές προσφέρουν δυνατότητες που αλλάζουν τη λογική της ασφάλειας. Γι’ αυτό οι εταιρείες ασφάλειας (security) ήταν από τις πρώτες που ενδιαφέρθηκαν για τις εξελίξεις στον χώρο των κβαντικών υπολογιστών. Η κβαντική φυσική προσφέρει δυνατότητες και στην κρυπτογραφία και μπορεί να προσφέρει μεγαλύτερη (απόλυτη) ασφάλεια στις συναλλαγές. Τεχνολογικά, η κβαντική κρυπτογραφία εφαρμόζεται ήδη σε καθημερινές καταστάσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση της πραγματοποίησης εκλογών το 2007 στο καντόνι της Γενεύης, όπου η μετάδοση των αποτελεσμάτων υποστηρίχτηκε από εφαρμογή κβαντικής κρυπτογραφίας.
Από το 1980 περίπου που έγιναν οι πρώτες αναφορές σε κβαντικούς υπολογιστές μέχρι σήμερα πόσο κοντά είμαστε σε μια τέτοια προσέγγιση;
Η κβαντική θεωρία πληροφορίας είναι ακόμη σε πειραματικό επίπεδο. Πρότυπους κβαντικούς υπολογιστές, κάτι σαν την (κβαντική) μηχανή του Μπάμπατζ, θα βρει κανείς σε εργαστήρια πανεπιστημίων και ινστιτούτων και πουθενά αλλού. Εχουν υπάρξει κάποιες περιπτώσεις επιχειρήσεων, όπως η D-Wave, που προσεγγίζουν το θέμα και ίσως και κάποιες ενδιαφέρουσες πρακτικές, αλλά σήμερα και για μερικά χρόνια ακόμη, δεν θα υπάρχει κβαντικός υπολογιστής στη διάθεση των καταναλωτών. Η Google, η NASA, ο στρατός των ΗΠΑ και κάποιοι άλλοι έχουν δείξει ενδιαφέρον φυσικά και χρηματοδοτούν τις σχετικές έρευνες ομάδων σαν τη δική μου, αλλά προς το παρόν δεν υπάρχει κάτι ευρείας κατανάλωσης.
Για το τελευταίο θα χρειαστούμε μια επανάσταση – θα είναι όπως στην περίπτωση του τσιπ. Ωστόσο, αυτό που διαφαίνεται είναι ότι δεν θα έχουμε σύντομα κβαντικούς προσωπικούς υπολογιστές. Θα έλεγα ότι σήμερα αναζητούμε το κβαντικό αντίστοιχο του τσιπ πυριτίου. Οταν αυτό συμβεί, θα μιλάμε για επανάσταση απόλυτα θεμελιακή που κανείς δεν θα μπορεί να προβλέψει το εύρος της. Προς το παρόν λύνουμε δύσκολα μαθηματικά προβλήματα ή βλέπουμε εφαρμογές στην κρυπτογραφία. Ωστόσο, δεν έχουμε φτάσει ακόμη στη φάση που μπορούμε να δουλέψουμε με έναν κβαντικό φορητό υπολογιστή που θα «τρέχει» κβαντικά Windows ας πούμε. Για την ώρα, επικεντρώνουμε περισσότερο στην επίλυση προβλημάτων που αφορούν βιομηχανίες ή τον στρατό ή δύσκολα προβλήματα στην ιατρική. Για παράδειγμα, με έναν κβαντικό υπολογιστή με μερικές εκατοντάδες qubits (είμαστε στα 20-30 τώρα), ένα από τα «ευρείας» εφαρμογής ζητήματα που θα εξετάζαμε είναι ο τρόπος που δουλεύουν οι χημικές αντιδράσεις μέσα σε έναν ιστό ή στο κύτταρο και τι εφαρμογές έχει αυτό στην πρόληψη και θεραπεία ασθενειών.
Εργάζεστε πάνω στα φωτόνια. Μπορείτε να μας μιλήσετε για την εργασία σας;
Οι κβαντικοί υπολογιστές που προτείναμε εμείς βασίζονται σε φωτόνια. Γενικότερα εργαζόμαστε πάνω στο πεδίο της χρήσης ισχυρά αλληλεπιδρώντων φωτονίων με τα άτομα για να εξηγήσουμε και να περιγράψουμε την ύλη στον μικρόκοσμο. Αυτό που είχα ήδη ξεκινήσει από το μεταδιδακτορικό μου στο Κέμπριτζ ήταν να προτείνω να φτιάξουμε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή βασισμένο και σε φωτόνια και όχι μόνο σε άτομα και ιόντα, έτσι ώστε να κατασκευάσουμε μηχανές μεγάλου αριθμού qubits. Το τεχνολογικό πρόβλημα στην περίπτωσή μας είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ φωτονίων κι εμείς το προσεγγίζουμε χρησιμοποιώντας άτομα σε φωτονικούς κρυστάλλους και υπεραγώγιμες διατάξεις στερεάς κατάστασης. Η ανταπόκριση στην εργασία μας ήταν πολύ καλή και μας έχουν ήδη προσεγγίσει πειραματικές ομάδες προκειμένου να κατασκευάσουν τη διάταξη που προτείνουμε. Ελπίζουμε ότι μέσα στο 2014 θα έχουμε και τα πρώτα φωτονικά κβαντικά τσιπάκια.
Κατά συνέπεια είμαστε πολύ κοντά στη λύση του ζητήματος;
Και ταυτόχρονα πολύ μακριά, γιατί κανείς δεν ξέρει ακριβώς τι θα δουλέψει σε μεγάλη κλίμακα τελικά και αυτή είναι η μαγεία και η γοητεία του θέματος. Είναι πολύ συναρπαστικό, καθώς συνδυάζει τη θεωρία της πληροφορίας, τη φυσική, την οπτική, τη νανοτεχνολογία και την επιστήμη υλικών.
Η νέα σας εργασία αφορά την κβαντική προσομοίωση. Πώς συνδέεται με το προηγούμενο στάδιο;
Η κβαντική προσομοίωση αφορά κβαντικούς υπολογιστές προγραμματισμένους με τρόπο τέτοιο που να λύνουν δύσκολα προβλήματα φυσικής, όπως για παράδειγμα να εξετάσουμε αν ένα υλικό, ένας κρύσταλλος, είναι μονωτής ή αγωγός. Υπάρχουν πολλές εφαρμογές, για παράδειγμα συνδεδεμένες με την υπεραγωγιμότητα υψηλές θερμοκρασίες, που εφόσον λυθούν μέσω της κβαντικής προσομοίωσης θα μας βοηθήσουν στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών.
…………………………………………………………………………………………………………………….
Απεικόνιση της διάταξης Αγγελάκη για υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών και προσομοιωτών βασισμένων σε φωτόνια
Φωτόνια (κίτρινες μπάλες) παγιδευμένα σε ειδικά σχεδιασμένες περιοχές μέσα σε οπτικά ι νανουλικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βασικές μονάδες μνήμης (κβαντικά bit ή qubit).
Χρησιμοποιώντας δέσμες λέιζερ και αλλάζοντας τις ηλεκτρονικές καταστάσεις ατόμων που βρίσκονται στις περιοχές παγίδευσης των φωτονίων, μπορεί κανείς να γράψει (και να διαβάσει) κβαντική πληροφορία και να τρέξει απίστευτα γρήγορους κβαντικούς αλγόριθμους όπως ο αλγόριθμος αναζήτησης δεδομένων του Grover.
Η διάταξη, σύμφωνα με πρόσφατη εργασία της ομάδας Αγγελάκη, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και σαν κβαντικός προσομοιωτής πολύπλοκων φαινομένων από τη Φυσική και τη Χημεία.
………………………………………………………………………………………………………
Η ιστορία της επιστήμης των υπολογιστών, η αναγκαιότητα και οι δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών
Η ιστορία της επιστήμης των υπολογιστών ξεκίνησε κάπως έτσι: στην Αγγλία τον 19ο αιώνα ο Τσαρλς Μπάμπατζ, στο Κέμπριτζ, έφτιαξε μια πρότυπη υπολογιστική μηχανή από μηχανικά γρανάζια που αντιστοιχούσαν σε μερικές εκατοντάδες διακόπτες. Σταδιακά, υπήρξαν βελτιώσεις στις υπολογιστικές μηχανές, οι οποίες με την ανακάλυψη του τρανζίστορ οδήγησαν στους σημερινούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές.
Ωστόσο, από τη δεκαετία του 1960, παρόλο που θα ακουστεί παράξενο, δεν έχει συμβεί κάτι εξίσου επαναστατικό στην επιστήμη των υπολογιστών «εκτός από το να μικραίνουμε τα τσιπάκια ολοένα και περισσότερο». Με το να μικραίνουμε τα τρανζίστορ και να στριμώχνουμε όσο περισσότερα μπορούμε σε ένα μικροτσιπάκι, καταφέραμε κάθε δύο χρόνια περίπου να διπλασιάζουμε την ισχύ και την ταχύτητα των υπολογιστών μας (νόμος του Moore).
Το ερώτημα που αναδύεται σε αυτήν τη φάση είναι κατά πόσον μπορεί να συνεχιστεί αυτή η διαδικασία. Ως πότε θα μπορούμε να βελτιώνουμε τους υπολογιστές μας με το να βάζουμε όσο γίνεται περισσότερα μικροσκοπικά κυκλωματάκια σε απίστευτα μικρά τσιπάκια, σκαλισμένα σε ακόμα πιο μικρές πλακέτες πυριτίου;
Εκτιμάται ότι πολύ σύντομα, μέσα στη δεκαετία που διανύουμε, θα φτάσουμε σε μεγέθη κυκλωμάτων ατομικού επιπέδου και τότε οι νόμοι της φυσικής αλλάζουν τα πράγματα δραματικά – για καλή μας τύχη προς όφελός μας!
Οι κβαντικοί νόμοι της υπέρθεσης και του κβαντικού εναγκαλισμού (entanglement), όταν εφαρμοστούν στα καινούργια πλέον κβαντικά bits, που θα αποτελούνται από ένα άτομο ή ένα φωτόνιο, θα επιτρέπουν τη δημιουργία κβαντικών αλγορίθμων που θα λύνουν τα δυσκολότερα μέχρι τώρα προβλήματα σε κλάσματα του χρόνου που απαιτούν σήμερα ακόμα και οι πιο σύγχρονοι -αλλά κλασικοί- υπερυπολογιστές.
