Η «Google», η ΙΒΜ και η «κβαντική υπεροχή»

Το ικρίωμα και το σύστημα ψύξης του κβαντικού υπολογιστή που η «Google» ισχυρίζεται ότι πέτυχε την «κβαντική υπεροχή»

Πριν από λίγες μέρες, ένα από τα μονοπώλια που αφιερώνουν σημαντικούς πόρους για έρευνα σχετικά με τη σχεδίαση και κατασκευή κβαντικών υπολογιστών, η «Google», ανακοίνωσε ότι πέτυχε τη λεγόμενη «κβαντική υπεροχή». Λίγο αργότερα, η IBM (το τρίτο μονοπώλιο με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την κβαντική υπολογιστική είναι η «Microsoft») ανακοίνωσε ότι αμφισβητεί πως το επίτευγμα της «Google» τεκμηριώνει «κβαντική υπεροχή». Αυτές οι αντεγκλήσεις «έντυσαν» θαυμάσια τον έτσι κι αλλιώς διεγερτικό της περιέργειας και της φαντασίας όρο «κβαντική υπεροχή», δίνοντας αφορμή για πλειάδα δημοσιευμάτων στον Τύπο και το διαδίκτυο.
Ο όρος «κβαντική υπεροχή» πρωτοαναφέρθηκε σε επιστημονική δημοσίευση του καθηγητή του πολυτεχνείου Caltech των ΗΠΑ, Τζον Πρέσκιλ, το 2012. Ο Πρέσκιλ με τον όρο αυτό περιέγραψε το χρονικό σημείο που οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να κάνουν πράγματα που δεν μπορούν να κάνουν οι κλασικοί ψηφιακοί υπολογιστές. Η έννοια της «κβαντικής υπεροχής» αναδεικνύει τους πόρους που είναι διαθέσιμοι μόνο στους κβαντικούς υπολογιστές, όπως η κβαντική διεμπλοκή και η κβαντική υπέρθεση. Εξαιρετικά απλουστευμένα, η διεμπλοκή σημαίνει ότι δύο ή περισσότερα σωματίδια μπορούν να συνδεθούν με τρόπο που ανεξάρτητα από τη μεταξύ τους απόσταση τα κβαντικά χαρακτηριστικά του ενός να φαίνονται να αλλάζουν με συγκεκριμένη συσχέτιση ως προς τις αλλαγές των χαρακτηριστικών του άλλου, ενώ η υπέρθεση ότι ένα σώμα του κβαντικού επιπέδου οργάνωσης της ύλης μπορεί να εμφανίζει υπέρθεση των κβαντικών του καταστάσεων, δηλαδή πολλές διαφορετικές τιμές για τα κβαντικά χαρακτηριστικά του.

Qubit (κιούμπιτ)

Ενώ οι κλασικοί ψηφιακοί υπολογιστές χρησιμοποιούν ως στοιχειώδη πληροφορία το bit, που μπορεί να έχει είτε την τιμή 0, είτε την τιμή 1, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν το qubit, το οποίο λόγω της υπέρθεσης μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή μεταξύ 0 και 1. Επιπλέον, αν αξιοποιηθεί και η διεμπλοκή, τότε είναι δυνατόν να μεταδοθεί με ένα qubit το ισοδύναμο πληροφορίας δύο κλασικών bit (υπέρπυκνη κωδικοποίηση). Οι κλασικές λογικές πύλες AND (και), OR (ή), NOT (όχι), XOR (αποκλειστικό ή), NAND (όχι και), NOR (όχι ή), XNOR (αντίθετη της XOR), από τις οποίες συντίθεται ο επεξεργαστής ενός ψηφιακού υπολογιστή, δέχονται είσοδο ενός ή δύο bit. Αντίθετα, οι κβαντικές λογικές πύλες λειτουργούν πάνω σε ένα έως τρία qubit. Ολα αυτά και άλλα ακόμη πιο τεχνικά χαρακτηριστικά, δίνουν στους κβαντικούς υπολογιστές πολύ μεγαλύτερη δυνατότητα χειρισμού των πληροφοριών, κάνοντας υπολογισμούς σε μικρό κλάσμα του χρόνου που θα χρειαζόταν για τους ίδιους υπολογισμούς ένας συμβατικός ψηφιακός υπολογιστής. Ομως τα qubit είναι ασταθή και όσο μεγαλύτερη είναι η αστάθειά τους, τόσο περισσότερα χρειάζονται για να γίνει ένας υπολογισμός με αυτά. Οσο αυξάνεται ο αριθμός τους, τόσο δυσκολότερο γίνεται να είναι σταθερός και αποτελεσματικός ο υπολογιστής. Κανένας δεν έχει φτιάξει μέχρι σήμερα κβαντικό υπολογιστή με περισσότερα από 54 qubit.

Το πείραμα

Ο κβαντικός επεξεργαστής Sycamore της «Google»

Σε κείμενο της «Google» που περιγράφει το επίτευγμά της, προσδιορίζεται το πλαίσιο μέσα στο οποίο έγινε: «Οι φυσικοί μιλάνε για την ισχύ της κβαντικής υπολογιστικής επί 30 χρόνια, αλλά τα ερωτήματα ήταν πάντοτε: Θα μπορέσει να κάνει κάτι χρήσιμο και αξίζει κανείς να επενδύσει σ' αυτό; Για τέτοια μεγάλης κλίμακας έργα είναι καλή πρακτική της μηχανικής ο προσδιορισμός βραχυπρόθεσμων στόχων, που δείχνουν αν τα σχέδια προχωρούν προς τη σωστή κατεύθυνση. Ετσι, φτιάξαμε ένα πείραμα ως σημαντικό ορόσημο για την απάντηση αυτών των ερωτήσεων».
Για να δοκιμάσουν τη συνολική απόδοση του συστήματος επέλεξαν έναν υπολογισμό που αποτυγχάνει αν έστω και ένα εξάρτημα του υπολογιστή δεν είναι αρκετά καλό. Ανέπτυξαν έναν επεξεργαστή με 54 qubit, που ονόμασαν Sycamore, με τον οποίο εκτέλεσαν μέσα σε 200 δευτερόλεπτα έναν υπολογισμό που ο γρηγορότερος ψηφιακός υπερυπολογιστής θα χρειαζόταν (κατά τη «Google») 10.000 χρόνια, ώστε να βγάλει αποτέλεσμα. Ο επεξεργαστής είναι προγραμματιζόμενος και περιέχει δισδιάστατη διάταξη στην οποία το κάθε qubit συνδέεται με άλλα τέσσερα qubits. Χρησιμοποιεί βελτιωμένες λογικές πύλες των 2 qubit και ένα σύστημα που εμποδίζει τις ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών qubits, μειώνοντας τα λάθη, που είναι εγγενή σε ένα πολύπλοκο κβαντικό σύστημα. Για τη λειτουργία του απαιτεί πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, που επιτυγχάνονται μέσω ψύξης με υγροποιημένο αέριο.
Ο υπολογισμός που πραγματοποιήθηκε στον επεξεργαστή Sycamore ήταν η εύρεση των πιο πιθανών ακολουθιών 0 και 1 που μπορούν να εμφανιστούν από ένα τυχαίο κβαντικό κύκλωμα, όταν το πείραμα επαναληφθεί πολλές φορές. Η εύρεση αυτών των πιο πιθανών ακολουθιών 0 και 1 σε κλασικούς υπολογιστές γίνεται όλο και πιο δύσκολη (εκθετικά), καθώς αυξάνεται ο αριθμός των qubits και των λογικών πυλών. Αρχικά έγιναν δοκιμές με απλά κυκλώματα 12 έως 53 qubit και όταν διαπιστώθηκε ότι το σύστημα λειτουργεί σωστά συγκρίνοντας με θεωρητικά μοντέλα, έγιναν δοκιμές με πιο πολύπλοκα κυκλώματα, μέχρι η δυσκολία για τους κλασικούς υπολογιστές να φτάσει στο σημείο να χρειάζονται 10.000 χρόνια για να κάνουν το ίδιο.
Είναι προφανές ότι το πείραμα της «Google» δεν προσφέρει τίποτα πρακτικά χρήσιμο στην καθημερινή ζωή, πέρα από υλικό για το μάρκετινγκ της εταιρείας. Δεν παύει βέβαια να είναι ένα ερευνητικό επίτευγμα, ιδιαίτερα όσον αφορά το μικρό ποσοστό λάθους που πέτυχε στα qubit του υπολογιστή.

Ο αντίλογος

Η IBM έχει επίσης κατασκευάσει και λειτουργήσει κβαντικό υπολογιστή 53 qubit. Ο λόγος που θεωρεί ότι ο υπολογιστής της «Google» δεν πέτυχε την «κβαντική υπεροχή», είναι ότι δεν πληροί κυριολεκτικά αυτό που περιέγραψε με τον όρο ο Πρέσκιλ, ακόμη κι αν ισχύει η εκτίμηση (της «Google») ότι ο ισχυρότερος συμβατικός υπολογιστής θα χρειαζόταν 10.000 χρόνια για να κάνει τους ίδιους υπολογισμούς. Πολύ περισσότερο, λέει η IBM, που οι υπολογισμοί αυτοί στον ισχυρότερο συμβατικό υπολογιστή μπορούν να γίνουν κατά τη δική της συντηρητική εκτίμηση σε μόλις 2,5 μέρες. Παραθέτει άλλη μεθοδολογία από αυτήν που περιγράφει η «Google», την οποία περιγράφουν εργαζόμενοι σε αυτήν επιστήμονες, σε δική τους δημοσίευση σε επιστημονικό περιοδικό. Με εφαρμογή επιπλέον τεχνικών βελτιστοποίησης, λέει το μονοπώλιο, οι υπολογισμοί θα μπορούσαν να γίνουν ακόμη και σε λιγότερο χρόνο.
Αρκετοί ερευνητές στο χώρο της κβαντικής υπολογιστικής θεωρούν ότι ο όρος «κβαντική υπεροχή» «οξύνει παραπέρα τις ήδη υπερεκτιμημένες αναφορές για την κατάσταση της κβαντικής τεχνολογίας». Επιπλέον, σύμφωνα με την IBM, ο όρος «υπεροχή» παρεξηγείται σχεδόν από το σύνολο όσων τον χρησιμοποιούν, πέραν των ελάχιστων ειδικών του τομέα της κβαντικής υπολογιστικής, που μπορούν να βάλουν τον όρο στο σωστό πλαίσιο. Τελικά, οι κβαντικοί υπολογιστές ποτέ δεν θα «υπερέχουν» των συμβατικών υπολογιστών, παρά μάλλον θα λειτουργήσουν σε συνδυασμό με αυτούς, καθώς καθένα από τα δύο είδη υπολογιστών έχει ιδιαίτερες δυνατότητες.

Μέλλον

Οι κβαντικοί υπολογιστές με κάποια πρακτική χρησιμότητα ίσως γίνουν πραγματικότητα στο όχι πολύ μακρινό μέλλον. Κανείς, ούτε η «Google» της ...«κβαντικής υπεροχής» υποστηρίζει ότι διαθέτει σήμερα έναν τέτοιο υπολογιστή. Η κβαντική υπολογιστική βρίσκεται ακόμη σε εμβρυική κατάσταση και δεν υπάρχουν αποδείξεις ότι κάποτε θα γίνει οπωσδήποτε εφικτή σε πρακτικό επίπεδο, έστω και μόνο για τους υπερυπολογιστές των μονοπωλίων και των κρατών (μόνιμη οικιακή ψύξη επιπέδου υπεραγωγιμότητας είναι εφικτή μόνο για τους Κροίσους). Ισως, όπως διακηρύττει η «Microsoft», κβαντικοί υπολογιστικοί πόροι να γίνουν διαθέσιμοι μέσω του υπολογιστικού νέφους (cloud) σε όποιον τους χρειάζεται και μπορεί να τους πληρώσει. Ωστόσο, το διακύβευμα είναι τεράστιο και μεγάλα είναι τα κεφάλαια (και τα κεφάλια), που ασχολούνται με την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών. Οποιος φτιάξει πρώτος κβαντικό υπολογιστή, που να μπορεί να λύνει πραγματικά προβλήματα, όπως π.χ. να αποκρυπτογραφεί γρήγορα μηνύματα των αντιπάλων, που σήμερα είναι αδύνατο να «σπάσουν», ή να «τρέχει» μέσα σε δευτερόλεπτα ή λεπτά προγράμματα βελτίωσης οπλικών συστημάτων, ανακάλυψης νέων χημικών ενώσεων, υλικών κ.ο.κ. αυτός στον σημερινό καπιταλιστικό κόσμο θα έχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα, για όσο χρόνο διατηρήσει την αποκλειστικότητα της νέας γνώσης.
Η «Google» δηλώνει ότι στο μέλλον θα προσφέρει τους κβαντικούς επεξεργαστές σε συνεργάτες της και σε ερευνητικά κέντρα, ενώ αναφέρει ως στόχους την κρίσιμη για την κρυπτογραφία παραγωγή κβαντικά τυχαίων αριθμών, το σχεδιασμό νέων καταλυτών και υλικών από τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν πιο ελαφριές μπαταρίες για αυτοκίνητα και αεροπλάνα κ.ά. Οπως τονίζει, για να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι θα χρειαστούν ακόμη πολλά χρόνια σκληρής δουλειάς στο επίπεδο της μηχανικής και της βασικής έρευνας.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγές: https://ai.googleblog.com, https://www.ibm.com