Σήμερα θα μιλήσουμε για μια εξαιρετικά σημαντική εξέλιξη που έλαβε χώρα στην επιστήμη των κβαντικών υπολογιστών. Η εξιστόρηση αυτής είναι πεπλεγμένη με πολλούς τρόπους με την ίδια την ιστορία του βιομηχανικού πλεξίματος. Μία από τις πιο σημαντικές ευρεσιτεχνίες στο χώρο της πλεκτικής ήταν η “μηχανή Jacquard”, το 1804. Επρόκειτο για μια σειρά εξαρτημάτων που επέτρεπαν σε ένα μηχανικό αργαλειό να πλέξει οποιοδήποτε μοτίβο από ένα σετ νημάτων. Αρκούσε η τροφοδότηση του αργαλειού με μια σειρά διάτρητων καρτών οι οποίες κωδικοποιούσαν την πλέξη, με την αλλαγή του πλεκτού να μην είναι πλέον τίποτε πιο περίπλοκο από μια απλή αλλαγή του σετ καρτών. Αν και δεν ήταν η μόνη, ήταν μια εξέλιξη κομβική για την εκβιομηχάνιση της υφαντουργίας, η οποία με τη σειρά της υπήρξε ένα σημαντικό ορόσημο της βιομηχανικής επανάστασης.
Την ίδια λογική διάτρητων καρτών βρίσκουμε σε νέο ρόλο στη χαραυγή της εποχής των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Με πανομοιότυπη φιλοσοφία, ένα πρόγραμμα γραφόταν ως μία σειρά διάτρητων καρτών, με τις οπές να και τα άθικτα σημεία να κωδικοποιούν το πρόγραμμα ως μια σειρά “1” και “0”, δηλαδή την κοινή μεταξύ όλων των υπολογιστών γλώσσα. Η σύνδεση όμως του πλεξίματος με τους υπολογιστές δε σταματά εδώ. Οι πρώτες εκδοχές της μνήμης των ηλεκτρονικών υπολογιστών αποτελούνταν από μεταλλικά στοιχεία περασμένα σε ένα πλέγμα καλωδίων. Δεν έμοιαζαν απλά με πλεκτό, αλλά ήταν επί της ουσίας: η NASA είχε προσλάβει μέσω της Raytheon πρώην εργάτριες της υφαντουργίας, ώστε με την εμπειρία που διέθεταν να “πλέξουν” τη μνήμη που χρησιμοποιήθηκε στα οχήματα του προγράμματος Apollo [α, β].
Το επόμενο βήμα στην επιστήμη των υπολογιστών είναι οι κβαντικοί υπολογιστές. Χρησιμοποιώντας πολύ μικρά και εξαιρετικά καλά απομονωμένα και προστατευμένα από το περιβάλλον τους συστήματα ατόμων για υπολογισμούς, μπορούμε να “χορογραφήσουμε” ένα πρόγραμμα έτσι ώστε όλες οι διαδρομές προς λανθασμένες απαντήσεις να εξαφανίζουν η μία την άλλη και να μένει μόνον η ορθή απάντηση. Τέτοιες “χορογραφίες” ξέρουμε να κάνουμε μέχρι στιγμής για λίγες, συγκεκριμένες κατηγορίες προβλημάτων. Σε αυτές όμως, οι κβαντικοί υπολογιστές επιλύουν με ευκολία προβλήματα τα οποία δε θα έλυνε ένας υπερυπολογιστής ακόμα κι αν λειτουργούσε αδιαλείπτως από την αρχή του σύμπαντός μας. Δεν είναι καθόλου τυχαίο το ότι σημαντικό μέρος των πρωτοκόλλων κρυπτογραφίας βασίζεται ακριβώς σε τέτοια (άλυτα για τους κλασικούς υπολογιστές) προβλήματα, και υπάρχει ζωηρό επιστημονικό [γ] και χρηματοδοτικό ενδιαφέρον σε αυτούς.
Ο λόγος που οι κβαντικοί υπολογιστές δεν αποτελούν μέρος της καθημερινότητας είναι ακριβώς η εξαιρετική ευαισθησία των διατάξεών τους: αν τα “κβαντικά bits” αλληλεπιδράσουν ελάχιστα με το περιβάλλον, χάνουν όλες τις χρήσιμες ιδιότητές τους. Γι αυτό το λόγο, οι πειραματικοί μέχρι στιγμής κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να διατηρήσουν τη λειτουργία τους για μικρά χρονικά διαστήματα και καταναλώνουν σημαντικό μέρος των δυνατοτήτων τους στην ανακάλυψη και διόρθωση των σφαλμάτων που προκύπτουν. Σε αυτό δε βοηθά καθόλου το γεγονός ότι στο μικρόκοσμο τα σωματίδια είναι πανομοιότυπα. Αν έχουμε μπροστά μας δυο σωματίδια, κλείσουμε τα μάτια μας και κάποιος τους ανταλλάξει θέσεις δυο φορές, είναι αδύνατο να το καταλάβουμε. Κάνοντας αναλογία με μια άδεια μηχανή πλεξίματος, αν βγούμε από το δωμάτιο και ξαναμπούμε θα είναι αδύνατο να καταλάβουμε αν δούλεψε όσο λείπαμε και απλά επέστρεψε στην αρχική της θέση.
Σε αυτό το σημείο έρχονται δύο σημαντικότατες δημοσιεύσεις από την ομάδα της Google [δ] και από την εταιρία Quantinuum [ε]. Αμφότερες πέτυχαν τη χρήση μιας ιδιαίτερης μορφής “εικονικών σωματιδίων” που εμφανίζεται όταν περιορίζουμε τα κβαντικά bits σε ένα επίπεδο και ονομάζεται “non-Abelian anyons”. Χρησιμοποιώντας την προηγούμενη αναλογία, είναι σα να εφοδιάζουμε τη μηχανή με νήμα: αν βγούμε από το δωμάτιο και επιστρέψουμε, μπορούμε να γνωρίζουμε αν κινήθηκε ή όχι κοιτώντας αν έχει παράξει πλεκτό. Κατά μία ερμηνεία, τα σωματίδια αυτά παραμένουν πανομοιότυπα το ένα με το άλλο, αλλά αν κινηθούν παράγουν “κόμπους” στο χωροχρόνο.
Η πλέξη αυτή μπορεί να μετρηθεί, ανοίγοντας ένα νέο δρόμο για την αποτελεσματική διόρθωση σφαλμάτων των κβαντικών υπολογιστών. Μια τέτοια εξέλιξη, χρησιμοποιώντας ένα είδος εικονικών σωματιδίων τα οποία μέχρι πρόσφατα ήταν ένα μαθηματικό κατασκεύασμα αποτελεί από μόνη της σημαντικό τεχνικό και θεωρητικό ορόσημο. Ακόμα περισσότερο, διευρύνει τις επιλογές μας για τη δημιουργία πραγματικών κβαντικών υπολογιστών, η επίδραση των οποίων θα είναι καθοριστική σε μία σειρά τομέων, από την ιατρική έρευνα αιχμής έως την κρυπτογραφία και την οικονομική διαχείριση.
[α] Fildes, J. (2009, July 15). Weaving the way to the Moon. BBC News. http://news.bbc.co.uk/1/hi/8148730.stm
[β] Visual introduction to the apollo guidance computer, part 3: Manufacturing the Apollo Guidance Computer. AGC – Visual Introduction to the Apollo Guidance Computer, part 3. http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/apollo/public/visual3.htm
[γ] Saida, D., Hidaka, M., Imafuku, K., & Yamanashi, Y. (2022). Factorization by quantum annealing using superconducting flux qubits implementing a multiplier hamiltonian. Scientific Reports, 12(1). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17867-9
[δ] Andersen, T. I., Lensky, Y. D., Kechedzhi, K., Drozdov, I. K., Bengtsson, A., Hong, S., Morvan, A., Mi, X., Opremcak, A., Acharya, R., Allen, R., Ansmann, M., Arute, F., Arya, K., Asfaw, A., Atalaya, J., Babbush, R., Bacon, D., Bardin, J. C., … Roushan, P. (2023). Non-abelian braiding of graph vertices in a superconducting processor. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05954-4
[ε] Iqbal, M., Tantivasadakarn, N., Verresen, R., Campbell, S. L., Dreiling, J. M., Figgatt, C., Gaebler, J. P., Johansen, J., Mills, M., Moses, S. A., Pino, J. M., Ransford, A., Rowe, M., Siegfried, P., Stutz, R. P., Foss-Feig, M., Vishwanath, A., & Dreyer, H. (2023, May 5). Creation of non-abelian topological order and anyons on a trapped-ion processor. arXiv.org. https://arxiv.org/abs/2305.03766
O Έκτωρ-Ξαβιέ Δελαστίκ είναι Φυσικός Εφαρμογών, Υ.Δ. Τμήματος Ιατρικής του Πανεπιστημίου Πατρών
Naftemporiki.gr
