Εξηγώντας την κβαντική υπολογιστική

Ένας κβαντικός υπολογιστής δεν είναι απλά μια πιο ισχυρή έκδοση των υπολογιστών που χρησιμοποιούμε σήμερα, είναι κάτι τελείως διαφορετικό, βασισμένο σε αναδυόμενες επιστημονικές γνώσεις — και περισσότερο από λίγο αβεβαιότητα. Εισέλθετε στην κβαντική περιοχή των θαυμάτων με την υπότροφο του TED Σοχίνι Γκος και μάθετε πώς αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να μετατρέψει τη φαρμακευτική, να δημιουργήσει απαραβίαστη κρυπτογράφηση, ακόμη και να τηλεμεταφέρει πληροφορίες.

Ας παίξουμε ένα παιχνίδι. Φανταστείτε ότι βρίσκεστε στο Λας Βέγκας, σε ένα καζίνο, και αποφασίζετε να παίξετε ένα παιχνίδι σε έναν από τους υπολογιστές του καζίνο, όπως θα μπορούσατε να παίξετε πασιέντζα ή σκάκι. Ο υπολογιστής μπορεί να κάνει τις ίδιες κινήσεις όπως ένας άνθρωπος. Αυτό είναι ένα παιχνίδι νομισμάτων. Ξεκινά με ένα νόμισμα που δείχνει κορώνα και ο υπολογιστής θα παίξει πρώτος. Μπορεί να επιλέξει να γυρίσει το κέρμα ή όχι, αλλά δεν μπορείτε να δείτε το αποτέλεσμα. Μετά, είναι η σειρά σας. Μπορείτε επίσης να επιλέξετε αν θα γυρίσετε το κέρμα ή όχι χωρίς να αποκαλυφθεί η κίνησή σας στον αντίπαλο, τον υπολογιστή. Τέλος, ο υπολογιστής παίζει και πάλι, και μπορεί να αναστρέψει το κέρμα ή όχι, και μετά από αυτούς τους τρεις γύρους το κέρμα αποκαλύπτεται. Αν είναι κορώνα, ο υπολογιστής κερδίζει, αν είναι γράμματα, κερδίζετε εσείς.

Είναι ένα αρκετά απλό παιχνίδι, και αν όλοι παίζουν με ειλικρίνεια και το κέρμα είναι δίκαιο, τότε έχετε μια πιθανότητα 50 τοις εκατό να κερδίσετε αυτό το παιχνίδι. Και για να το επιβεβαιώσω, ζήτησα στους μαθητές μου να παίξουν το παιχνίδι στους υπολογιστές μας και μετά από πολλές, πολλές προσπάθειες, το ποσοστό νίκης κατέληξε να είναι 50 τοις εκατό ή σχεδόν 50 τοις εκατό, όπως αναμενόταν. Ακούγεται σαν ένα βαρετό παιχνίδι, σωστά;

Τι θα γινόταν αν παίζατε αυτό το παιχνίδι σε έναν κβαντικό υπολογιστή; Τα καζίνο του Λας Βέγκας δεν έχουν κβαντικούς υπολογιστές, απ’ όσο γνωρίζω, αλλά η IBM έχει δημιουργήσει έναν λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή. Αυτός είναι.

Αλλά τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής; Λοιπόν, η κβαντική φυσική περιγράφει τη συμπεριφορά των ατόμων και των θεμελιωδών σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Ο κβαντικός υπολογιστής λειτουργεί ελέγχοντας τη συμπεριφορά των σωματιδίων αυτών, αλλά με έναν τελείως διαφορετικό τρόπο από τους κοινούς υπολογιστές. Έτσι, ένας κβαντικός υπολογιστής δεν είναι μόνο μια πιο ισχυρή έκδοση των σύγχρονων υπολογιστών μας, ακριβώς όπως μια λάμπα δεν είναι ένα ισχυρότερο κερί. Δεν μπορείτε να φτιάξετε μια λάμπα φτιάχνοντας όλο και καλύτερα κεριά. Ο λαμπτήρας είναι μια διαφορετική τεχνολογία, έχοντας μια βαθύτερη επιστημονική κατανόηση. Ομοίως, ένας κβαντικός υπολογιστής είναι μια νέα συσκευή, βασισμένη στην επιστήμη της κβαντικής φυσικής, και ακριβώς όπως η λάμπα μετασχημάτισε την κοινωνία, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να επηρεάσουν τόσες πολλές πτυχές της ζωής μας, συμπεριλαμβανομένων των αναγκών ασφαλείας, την υγειονομική περίθαλψη, ακόμη και το Διαδίκτυο.

Έτσι εταιρείες ανά τον κόσμο εργάζονται για την κατασκευή αυτών των συσκευών, και για να δούμε γιατί όλος αυτός ο ενθουσιασμός, ας παίξουμε το παιχνίδι σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Μπορώ να συνδεθώ από εδώ με τον κβαντικό υπολογιστή της ΙΒΜ, δηλαδή μπορώ να παίξω το παιχνίδι εξ’ αποστάσεως, όπως και εσείς. Για να γίνει αυτό, ίσως θυμάστε ένα μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου από TED, που ρωτούσε αν θα επιλέγατε να γυρίσετε το κέρμα ή όχι, αν παίζατε αυτό το παιχνίδι. Για την ακρίβεια, ζητήσαμε να επιλέξετε μεταξύ ενός κύκλου ή ενός τετραγώνου. Δεν το γνωρίζατε, αλλά η επιλογή του κύκλου σήμαινε «αναστροφή» και η επιλογή του τετραγώνου ήταν «μη αναστροφή». Λάβαμε 372 απαντήσεις. Ευχαριστώ. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να παίξουμε 372 παιχνίδια εναντίον του κβαντικού υπολογιστή χρησιμοποιώντας τις επιλογές σας. Είναι ένα αρκετά γρήγορο παιχνίδι, έτσι μπορώ να σας δείξω τα αποτελέσματα.

Δυστυχώς, δεν τα πήγατε πολύ καλά.

Ο κβαντικός υπολογιστής κέρδισε σχεδόν κάθε παιχνίδι. Έχασε μερικά λόγω λειτουργικών σφαλμάτων στον υπολογιστή.

Πώς, λοιπόν, πέτυχε αυτό το εκπληκτικό σερί νικών; Φαντάζει μαγικό ή ζαβολιά, αλλά στην πραγματικότητα, είναι απλώς η κβαντική φυσική εν δράση. Έτσι λειτουργεί. Ένας κοινός υπολογιστής προσομοιώνει την κορώνα ή γράμματα ως ένα δυφίο, μηδέν ή ένα ή μια τρέχουσα εναλλαγή στον επεξεργαστή του υπολογιστή σας. Ο κβαντικός υπολογιστής είναι τελείως διαφορετικός. Το κβαντικό δυφίο έχει μια πιο ρευστή, μη γραμμική ταυτότητα. Μπορεί να υπάρχει σε μια υπέρθεση ή έναν συνδυασμό μηδέν και ένα, με κάποια πιθανότητα να είναι μηδέν και κάποια πιθανότητα να είναι ένα. Με άλλα λόγια, η ταυτότητά του είναι σε ένα φάσμα. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να έχει μια πιθανότητα 70 τοις εκατό να είναι μηδέν και μια πιθανότητα 30 τοις εκατό να είναι ένα ή 80-20 ή 60-40. Οι πιθανότητες είναι ατελείωτες. Η βασική ιδέα εδώ είναι ότι πρέπει να εγκαταλείψουμε τις ακριβείς τιμές μηδέν και ένα και να επιτρέψουμε κάποια αβεβαιότητα. Έτσι κατά τη διάρκεια του παιχνιδιού, ο κβαντικός υπολογιστής δημιουργεί αυτόν τον ρευστό συνδυασμό κορώνας-γράμματα, μηδέν και ένα, έτσι ώστε ανεξάρτητα τι κάνει ο παίκτης, περιστροφή ή μη, η υπέρθεση παραμένει άθικτη. Είναι σαν την ανάδευση ενός μείγματος με δύο ρευστά. Είτε ανακατεύετε, είτε όχι, τα ρευστά παραμένουν σε ένα μείγμα, αλλά στην τελική του κίνηση, ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να ξεχωρίσει το μηδέν και το ένα, να έχει ως αποτέλεσμα πάντα κορώνα έτσι ώστε να χάσετε κάθε φορά.

Αν νομίζετε ότι όλα αυτά είναι λίγο περίεργα, έχετε απόλυτο δίκιο. Στα κοινά κέρματα δεν υπάρχει μεικτή κατάσταση. Δε βιώνουμε τη ρευστή κβαντική πραγματικότητα στην καθημερινότητά μας. Έτσι εάν μπερδεύεστε με την κβαντική, μην ανησυχείτε, θα την καταλάβετε.

Αλλά, παρότι δεν βιώνουμε κβαντικά παράδοξα, μπορούμε να δούμε τα πραγματικά της αποτελέσματα σε δράση. Έχετε δει τα δεδομένα μόνοι σας. Ο κβαντικός υπολογιστής κέρδισε, γιατί αξιοποίησε την υπέρθεση και την αβεβαιότητα και αυτές οι κβαντικές ιδιότητες είναι πανίσχυρες, όχι μόνο για να κερδίσετε σε παιχνίδια νομισμάτων, αλλά και για την οικοδόμηση μελλοντικών κβαντικών τεχνολογιών. Επομένως, επιτρέψτε μου να σας δώσω τρία παραδείγματα πιθανών εφαρμογών που θα μπορούσαν να αλλάξουν τη ζωή μας.

Καταρχήν, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στη δημιουργία ιδιωτικών κλειδιών για την κρυπτογραφημένη αποστολή μηνυμάτων από μια τοποθεσία σε άλλη, έτσι ώστε οι χάκερ να μην μπορούν να υποκλέψουν το κλειδί, λόγω της κβαντικής αβεβαιότητας. Θα πρέπει να παραβούν τους νόμους της κβαντικής φυσικής για να υποκλέψουν το κλειδί. Ήδη, αυτή η απαραβίαστη κρυπτογράφηση δοκιμάζεται απ’ τις τράπεζες και άλλα ιδρύματα παγκοσμίως. Σήμερα, χρησιμοποιούμε περισσότερες από 17 δις συνδεδεμένες συσκευές παγκοσμίως. Φανταστείτε τον αντίκτυπο της κβαντικής κρυπτογράφισης στο μέλλον.

Δεύτερον, θα μπορούσαν να μετασχηματίσουν την ιατρική περίθαλψη και την ιατρική. Για παράδειγμα, ο σχεδιασμός και η ανάλυση των μορίων για την ανάπτυξη φαρμάκων είναι ένα δύσκολο πρόβλημα σήμερα, και αυτό συμβαίνει γιατί η ακριβής περιγραφή και ο υπολογισμός όλων των κβαντικών ιδιοτήτων όλων των ατόμων στο μόριο είναι ένα υπολογιστικά δύσκολο έργο, ακόμη και για τους υπερυπολογιστές μας. Αλλά ένας κβαντικός υπολογιστής τα καταφέρνει καλύτερα, γιατί λειτουργεί με τις ίδιες κβαντικές ιδιότητες του μορίου που προσπαθεί να προσομοιώσει. Μελλοντικές μεγάλης κλίμακας κβαντικές προσομοιώσεις για την ανάπτυξη φαρμάκων μπορούν να οδηγήσουν σε θεραπείες ασθενειών, όπως τη νόσο Αλτσχάιμερ, που επηρεάζει χιλιάδες ζωές.

Και τρίτον, η αγαπημένη μου κβαντική εφαρμογή είναι η τηλεμεταφορά πληροφοριών από τη μια τοποθεσία στην άλλη χωρίς φυσική μετάδοση της πληροφορίας. Ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία, αλλά είναι δυνατόν, γιατί αυτές οι ρευστές ταυτότητες των κβαντικών σωματιδίων μπορούν να εμπλακούν διαμέσω του χωροχρόνου με τέτοιο τρόπο, ώστε αν αλλάξει κάτι στο ένα σωματίδιο, μπορεί να επηρεάσει το άλλο, και αυτό δημιουργεί ένα κανάλι για τηλεμεταφορά. Έχει ήδη αποδειχθεί σε ερευνητικά εργαστήρια και θα μπορούσε να είναι μέρος ενός μελλοντικού κβαντικού διαδικτύου. Δεν έχουμε ακόμα ένα τέτοιο δίκτυο, αλλά η ομάδα μου εργάζεται με αυτές τις δυνατότητες, προσομοιώνοντας ένα κβαντικό δίκτυο σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Έχουμε σχεδιάσει και υλοποιήσει μερικά ενδιαφέροντα νέα πρωτόκολλα, όπως η τηλεμεταφορά μεταξύ διαφορετικών χρηστών στο δίκτυο και αποτελεσματική μετάδοση δεδομένων ακόμη και ασφαλή ψηφοφορία.

Έτσι, είναι διασκεδαστικό να είμαι μια κβαντική φυσικός. Το συνιστώ ανεπιφύλακτα.

Μπορούμε να είμαστε εξερευνητές σε μια κβαντική περιοχή θαυμάτων. Ποιος ξέρει τι εφαρμογές θα ανακαλύψουμε αργότερα. Πρέπει να βαδίσουμε προσεκτικά και υπεύθυνα καθώς χτίζουμε το κβαντικό μέλλον μας. Και για μένα, προσωπικά, δεν βλέπω την κβαντική φυσική μόνο ως ένα εργαλείο για την κατασκευή υπολογιστών. Βλέπω τους κβαντικούς υπολογιστές ως έναν τρόπο ερεύνησης των μυστηριών της φύσης και την αποκάλυψη περισσότερων για αυτόν τον κρυφό κόσμο εκτός των εμπειριών μας. Πόσο εκπληκτικό είναι ότι εμείς οι άνθρωποι, με τη σχετικά περιορισμένη πρόσβαση στο σύμπαν, βλέπουμε πολύ πιο πέρα ​​από τους ορίζοντές μας απλώς χρησιμοποιώντας τη φαντασία μας και την εφευρετικότητά μας. Και το σύμπαν μας ανταμείβει, δείχνοντάς μας πόσο απίστευτα ενδιαφέρον και εκπληκτικό είναι.

Το μέλλον είναι από τη βάση του αβέβαιο, και για εμένα, αυτό είναι σίγουρα συναρπαστικό.