Νέοι αλγόριθμοι και τεχνικές ανοίγουν το δρόμο για καινοτόμες εφαρμογές

Οι κβαντικοί υπολογιστές εδώ και 50 χρόνια δίνουν τροφή στη φαντασία των επιστημόνων, που ελπίζουν με αυτούς να λύσουν προβλήματα, αδύνατο να απαντηθούν με τους συμβατικούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Παραδείγματα είναι η προσομοίωση χημικών αντιδράσεων με ακρίβεια (όχι προσεγγιστικά, όπως γίνεται τώρα), για την ανάπτυξη νέων χημικών ενώσεων και υλικών και η επίλυση σύνθετων προβλημάτων βελτιστοποίησης, που αναζητούν την καλύτερη λύση ανάμεσα σε πολλές. Ειδικά το ζήτημα της βελτιστοποίησης στις βιομηχανικές διαδικασίες, που έχει εφαρμογή ουσιαστικά σε όλους τους βιομηχανικούς κλάδους, είναι η βασική κινητήρια δύναμη πίσω από το ενδιαφέρον ειδικών και επιχειρηματιών για τους κβαντικούς υπολογιστές, καθώς όσοι τους διαθέτουν ή μπορούν να νοικιάσουν χρόνο χρήσης τους, θα οδηγηθούν σε τροποποιήσεις στην παραγωγή, που θα τους δώσουν μεγαλύτερο κέρδος και έστω προσωρινό συγκριτικό πλεονέκτημα απέναντι στους ανταγωνιστές τους, ιδιαίτερα τους μικρότερους.
Οι κβαντικοί υπολογιστές αξιοποιούν τη γνώση που έχει συσσωρεύσει η κβαντομηχανική. Αντί να υπολογίζουν κάθε δυνατή λύση διαδοχικά, όπως κάνουν οι συμβατικοί υπολογιστές (ακόμη και η παράλληλη επεξεργασία απλώς πολλαπλασιάζει αυτό τον τρόπο λειτουργίας), οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν με τρόπο δύσκολο να εξηγηθεί με κλασικές αναλογίες. Αρχίζουν από μια κβαντική υπέρθεση όλων των δυνατών λύσεων και στη συνέχεια χρησιμοποιούν την κβαντική εμπλοκή και την κβαντική παρεμβολή για να επικεντρώσουν στη σωστή απάντηση, διαδικασίες που πραγματοποιούνται μόνο στον μικρόκοσμο, τον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων και όχι στην καθημερινή ζωή, στο μακρόκοσμο.
Ομως, είναι πολύ δύσκολη η κατασκευή κβαντικών υπολογιστών. Ενα από τα δημοφιλή σήμερα σχέδια κβαντικών υπολογιστών απαιτεί υπεραγώγιμα υλικά, που πρέπει να διατηρούνται σε θερμοκρασία 100 φορές χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του απώτερου Διαστήματος, πρακτικά στο απόλυτο μηδέν. Επιπλέον, χρειάζεται εξαιρετικής λεπτότητας και ακρίβειας έλεγχος των κβαντικών καταστάσεων, κατάλληλη προφύλαξη ώστε ούτε μια αχτίδα φωτός ούτε ένα φωτόνιο να μη φτάσει έως τον κβαντικό επεξεργαστή. Μέχρι πρόσφατα, η πρόσβαση στα πρωτότυπα κβαντικών υπολογιστών περιοριζόταν μόνο στους ειδικούς, σε λίγες τοποθεσίες στον κόσμο. Αλλά η πρόοδος που συντελέστηκε τα τελευταία χρόνια επέτρεψε την κατασκευή πρωτοτύπων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρύτερα, για τη δοκιμή στην πράξη ιδεών, αλγορίθμων και άλλων τεχνικών, που μέχρι τώρα εξετάζονταν μόνο θεωρητικά.
Οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές είναι ακόμη πολύ μικρής δυναμικότητας για να λύσουν προβλήματα πιο σύνθετα από εκείνα που λύνουν οι υπερυπολογιστές. Παρ' όλ' αυτά, η πρόοδος είναι τεράστια. Αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι που επιτρέπουν την πιο γρήγορη εκτέλεση των προγραμμάτων και τεχνικές επιμήκυνσης κατά 100 φορές σε σχέση με πριν από μια δεκαετία του χρόνου συνοχής (διατήρησης της κβαντικής πληροφορίας) στα υπεραγώγιμα κβαντικά δυαδικά ψηφία (bit). Το μονοπώλιο IBM ήδη από το 2016 δίνει πρόσβαση στον κβαντικό υπολογιστή «IBM Q Experience», μέσω του υπολογιστικού νέφους (cloud), προσφέροντας γραφικό περιβάλλον εργασίας και διασύνδεση μέσω της δημοφιλούς γλώσσας προγραμματισμού Python. Επιστήμονες έχουν ήδη δημοσιεύσει 20 εργασίες χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα. Στον τομέα έχουν αρχίσει να δραστηριοποιούνται έντονα και άλλα μονοπώλια, καθώς και μικρές νεοφυείς επιχειρήσεις.
Οι ειδικοί εκτιμούν ότι ακόμη πρέπει να ξεπεραστούν πολλά εμπόδια: Να αυξηθεί ο χρόνος συνοχής, να μειωθούν τα κβαντικά λάθη κατά τους υπολογισμούς και να μπορούν να αντιμετωπιστούν εκείνα που θα παραμένουν αναπόφευκτα. Γεγονός είναι, πάντως, ότι οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι πια θεωρητικά κατασκευάσματα ούτε εργαλείο για πολύ λίγους.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»