Κοινότητα - Πύλη - Περιοδικό Φοιτητών Πανεπιστημίου Αιγαίου -- Πρωτοβουλία MyAegean

Γράφει ο Νίκος Κουτρουμπίνης :

Η τεχνολογία τον 21ο αιώνα εξελίσεται ραγδαία. Με ρυθμούς που ούτε καν φανταζόμαστε εμείς οι νέοι και με ταχύτητες που υπερβαίνουν την διανόηση μας.
Στο άρθρο θα προσπαθήσουμε να εξετάσουμε μια αναπτυσσόμενη τεχνολογία που ενδέχεται να αλλάξει πολλά από τα τωρινά δεδομένα στη χρήση και υπολογιστικές ανάγκες του σήμερα. Ας επιχειρήσουμε να ρίξουμε μια ματιά στους λεγόμενους «κβαντικούς υπολογιστές»!

Όλα ξεκίνησαν με μια ιδέα

Μια μηχανή που θα μπορούσε να υπερβεί με κάθε τρόπο την υπολογιστική και εκτελεστική ικανότητα του ανθρωπίνου εγκεφάλου, όσον αφορά την οργάνωση και αναπαραγωγή της πληροφορίας. Η πρώτη τέτοια μηχανή ήταν ο γνωστός στους περισσότερους μας ENIAC ένας υπολογιστής ο οποίος δεν είχε καμιά σχέση με τα σημερινά δεδομένα δημιουργήθηκε το 1946 και εμπνευστές και πρωτεργάτες της υλόποίησης του, υπήρξαν οι John Mauchley και J. Eckert του University of Pennsylvania's Moore School of Electrical Engineering.

ENIAC (1946)

Και τώρα είμαστε 70 χρόνια αργότερα απο την δημιουργία του πρώτου υπολογιστή μετά απο την εξέλιξη του κλασσικού μοντέλου υπερυπολογιστή μέχρι το ζενιθ βλέπουμε στον ορίζοντα μια νέα μεγάλη εξέλιξη στον τομέα των υπερυπολογιστών η οποία θα μας κάνει να ξεχάσουμε τα όσα ξέρουμε. Δεν πρόκειται παρά για τον άγνωστο ακόμα για τη κοινή γνώμη, Κβαντικό Υπολογιστή.

Όμως τι είναι κβαντικός υπολογιστής;

Κβαντικός υπολογιστής ονομάζεται μία υπολογιστική συσκευή που εκμεταλλεύεται χαρακτηριστικές ιδιότητες της κβαντομηχανικής, όπως την αρχή της υπέρθεσης και της διεμπλοκής καταστάσεων, για να φέρει εις πέρας επεξεργασία δεδομένων και εκτέλεση υπολογισμών.

Τι μας λες ρε νταλάρα;

Λίγα άτομα βρίσκονται κοντά στον κόσμο της συγχρονής φυσικής, και ακόμα λιγότερα κατέχουν πλήρως τους παραπάνω όρους.Για να προχωρήσουμε είναι ανάγκη να διασαφηνισουμε μερικά ονόματα.

Κβαντική Μηχανική, γενικά, είναι ο κλάδος της φυσικής, που αναπτύχθηκε για να ερμηνεύσει φαινόμενα του μικρόκοσμου που η κλασική (Νευτώνεια) μηχανική αδυνατούσε να περιγράψει. Χονδρικά, μελετά τη συμπεριφορά της ύλης στο μοριακό, ατομικό και υποατομικό επίπεδο.

Συγκεκριμένα, ο όρος κβάντο (στη λατινική του σημασία, μικρή ποσότητα) αναφέρεται στα μικρότερα δυνατά «πακέτα» μιας φυσικής ποσότητας. Στον κλασικό υπολογιστή, το κβάντο, η μικρότερη ποσότητα της πληροφορίας, είναι το bit. Το bit γενικά μπορεί να παρει δυο διακριτές τιμές, το 0 και το 1.

Μια άλλη σημαντική έννοια της κβαντομηχανικής, είναι η Αρχή της Επαλληλίας ή Υπέρθεσης. Κατ' αυτήν, για κάθε γραμμικό σύστημα το ολικό αποτέλεσμα ενός φαινομένου που αποτελείται από επί μέρους φαινόμενα, είναι ίσο με το άθροισμα των αποτελεσμάτων των επί μέρους.

Photograph of a quantum machine. The mechanical resonator which was placed in a superposition is situated in the bottom left of the chip. The smaller white rectangle is the coupling capacitor between the mechanical resonator and the qubit.

Πιο συγκεκριμένα ο κβαντικός υπολογιστής έχει την ιδιότητα να επεξεργάζεται δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, η οποία είναι και η ουσιαστική διαφορά με έναν κανονικό υπολογιστή. Αυτήν την ιδιότητα την αποκτά μέσω των qubits (quantum bits).Ένας κβαντικός υπολογιστής με n qubits μπορεί να βρίσκεται σε αυθαίρετη υπέρθεση (άθροισμα) των έως 2^n δυνατών πληροφοριακών καταστάσεων, σε αντίθεση με τον τυπικο υπολογιστή που καταφέρνει να βρίσκεται σε μόλις μια. Μεγάλοι κβαντικοί υπερυπολογιστές αναμένεται να λύνουν προβλήματα πολύ ταχύτερα απο τους κλασικούς υπερυπολογιστές εως τουλάχιστον 3600 φορές ταχύτερα.. φανταστείτε διαφορά...

Τι είναι τα qubit;

Στην τεχνολογία των ψηφιακών κβαντικών υπολογιστών, το κβαντικό bit, ή συνηθέστερα qubit, είναι η στοιχειώδης μονάδα κβαντικής πληροφορίας. Η διαφορά από την κλασσική μονάδα πληροφορίας (bit) είναι ότι ενώ το bit μπορεί να πάρει μόνο μια από δύο δυνατές τιμές, (είτε μηδέν 0 είτε ένα 1) το qubit είναι ένα άθροισμα και των δύο καταστάσεων ταυτόχρονα. Όταν μετρηθεί, το qubit «προβάλλεται» σε μία από τις δυνατές καταστάσεις: 0,1 , με ορισμένη πιθανότητα να περιέλθει σε κάθε μία από αυτές. Το άθροισμα των πιθανοτήτων είναι, βέβαια, ίσο με τη μονάδα.

Έχει όμως εφευρεθεί μια τόσο «δυνατή» μηχανή;

Η απάντηση είναι: Και Ναι και Οχι.

Τον Μάιο του 2011 μια νέα ακμάζουσα εταιρία με το όνομα D-Wave Systems, Inc. Ανακοίνωσε τον πρώτο υπερυπολογιστή ονόματι D-Wave One των 128 qubits.Τον Μαιο του 2013 ανακοινώθηκε η πρώτη εκκίνηση «κβαντικού» υπολογιστή απο μια συνεργασία της NASA της Google και του USRA,τον οποίο είχε φτιάξει η ίδια εταιρία και του έδωσε το όνομα D-Wave Two το δεύτερο αυτό δημιούργημα της D-Wave Systems των 512 qubits είχε τιμή... 10.000.000$. Το θέμα είναι ότι μένει ακόμα αναπάντητη η φύση του και το αν πληρoί όλες τις προυποθέσεις ενός κβαντικού υπολογιστή το οποίο ερώτημα θα απαντηθεί στο σύντομο μέλλον, αλλά σύμφωνα με τις μέχρι τώρα αποδείξεις είναι σαφώς ένας πολύ γρηγορότερος υπολογιστής απο κάθε άλλον που έχουμε δει μέχρι σήμερα. το μεγεθος του είναι περίπου 10 τετρ. μέτρα.

Animation describing the components that make up the D-Wave One Rainier generation processor. This processor comprises of 128 qubits, 352 couplers and nearly 24,000 Josephson junctions. The qubits are arranged in a tiling pattern to allow them to connect to one another.

Τελικώς αυτό το θέμα δεν τελειώνει ποτέ, υπάρχουν άπειρα πράγματα που μπορούν να ειπωθούν για τους κβαντικούς υπολογιστές αλλά εγώ θα αρκεστώ σε αυτά τα λίγα που ανέφερα...

Οπως καταλαβαίνετε αγαπητοί αναγνώστες, ζούμε σε ιστορικές μέρες, η τεχνολογία ακμάζει και εμείς όσο ακόμα είμαστε στο πανεπιστήμιο δεν μπορούμε παρα να είμαστε θεατές αυτής της αδιανόητης εξελικτικής πορείας.. Ευχαριστώ για τον χρόνο που αφιερώσατε για να διαβάσετε αυτό το άρθρο!

-- Nίκος Κουτρουμπίνης (Official IEEE Student Member)

________

Πηγές εικόνων (από Wikipedia, επιμέλεια από ομάδα σύνταξης MyAegean): (Erik Lucero), (Mike Muuss - ARL Technical Library, U.S. Army)

Πηγές πληροφοριών & συμπληρωματικών στοιχείων:

- Wikipedia article: http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computer
- Wikipedia article: http://en.wikipedia.org/wiki/Eniac
- Wikipedia article: http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_mechanics
- Wikipedia article: http://en.wikipedia.org/wiki/D-wave_systems
- Martinis Group, University of California, Santa Barbara: http://www.physics.ucsb.edu/~martinisgroup/index.shtml
- Nancy Shawcross, Library of University of Pennsylvania, Philadelphia, http://www.library.upenn.edu/exhibits/rbm/mauchly/jwm8b.html
- U.S. Army photo, from archives of the ARL Technical Library, courtesy of Mike Muuss; caption from Martin H. Weik, "The ENIAC Story"