Τι είναι ο κβαντικός υπολογιστής και πώς οι κβαντικοί υπολογιστές θα αλλάξουν τον κόσμο;

By | March 5, 2024

Το Euronews Next επισκέφτηκε το ερευνητικό εργαστήριο της IBM στη Ζυρίχη για να μάθει περισσότερα για αυτόν τον τομέα που υπόσχεται νέες λύσεις σε παγκόσμια προβλήματα.

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

Ανάλογα με το ποιον ρωτάτε, ορισμένοι λένε ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν είτε να σπάσουν το Διαδίκτυο, καθιστώντας σχεδόν όλα τα πρωτόκολλα ασφάλειας δεδομένων παρωχημένα, είτε να μας επιτρέψουν να υπολογίσουμε την έξοδο από την κλιματική κρίση.

Αυτές οι υπερ-ισχυρές συσκευές, μια αναδυόμενη τεχνολογία που εκμεταλλεύεται τις ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής, προσελκύουν μεγάλη προσοχή.

Τον Νοέμβριο του περασμένου έτους, η IBM παρουσίασε τον τελευταίο της κβαντικό υπολογιστή, Osprey, έναν νέο επεξεργαστή 433 qubit τρεις φορές πιο ισχυρό από τον προκάτοχό της που κατασκευάστηκε μόλις το 2021.

Αλλά γιατί όλη η διαφημιστική εκστρατεία;

Το Quantum είναι ένα επιστημονικό πεδίο που μελετά τις φυσικές ιδιότητες της φύσης σε κλίμακα ατόμων και υποατομικών σωματιδίων.

Οι υποστηρικτές της κβαντικής τεχνολογίας λένε ότι αυτές οι μηχανές θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για ταχεία πρόοδο σε τομείς όπως η ανακάλυψη φαρμάκων και η επιστήμη των υλικών – μια προοπτική που αυξάνει τη δελεαστική πιθανότητα δημιουργίας, ας πούμε, μπαταριών ελαφρύτερων και πιο αποτελεσματικών ηλεκτρικών οχημάτων ή υλικών που θα μπορούσαν να διευκολύνουν την αποτελεσματικότητα. δέσμευση CO2. .

Καθώς πλησιάζει η κλιματική κρίση, σίγουρα θα υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τεχνολογίες που μπορούν να λύσουν πολύπλοκα προβλήματα όπως αυτά.

Δεν είναι περίεργο, λοιπόν, ότι μερικές από τις μεγαλύτερες εταιρείες τεχνολογίας στον κόσμο – η Google, η Microsoft, η Amazon και, φυσικά, η IBM για να αναφέρουμε μερικές – επενδύουν πολλά σε αυτό και προσπαθούν να πάρουν τη θέση τους σε ένα μελλοντικό κβαντικό επίπεδο.

Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές;

Δεδομένου ότι υπάρχει τόσο μεγάλο ενδιαφέρον για αυτές τις μηχανές που μοιάζουν με ουτοπικό, ίσως είναι χρήσιμο να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν και τι τις διαφέρουν από τους παραδοσιακούς υπολογιστές.

Πάρτε όλες τις συσκευές που έχουμε σήμερα, από τα smartphone στις τσέπες μας μέχρι τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές μας. Αυτά λειτουργούν και λειτουργούσαν πάντα με την ίδια αρχή του δυαδικού κώδικα.

Ουσιαστικά, τα τσιπ στους υπολογιστές μας χρησιμοποιούν μικροσκοπικά τρανζίστορ που λειτουργούν σαν διακόπτες ενεργοποίησης/απενεργοποίησης για να δώσουν δύο πιθανές τιμές, 0 ή 1, που αλλιώς ονομάζονται bits, συντομογραφία για δυαδικά ψηφία.

Αυτά τα bit μπορούν να διαμορφωθούν σε μεγαλύτερες, πιο σύνθετες μονάδες, ουσιαστικά μεγάλες σειρές 0 και 1 κωδικοποιημένες με εντολές δεδομένων που λένε στον υπολογιστή τι να κάνει: εμφάνιση βίντεο. εμφάνιση μιας ανάρτησης στο Facebook. Παίξτε ένα mp3? σας επιτρέπει να πληκτρολογείτε ένα email και ούτω καθεξής.

Αλλά ένας κβαντικός υπολογιστής;

Αυτά τα μηχανήματα λειτουργούν με εντελώς διαφορετικό τρόπο. Αντί για bit σε έναν κλασικό υπολογιστή, η βασική μονάδα πληροφοριών στον κβαντικό υπολογισμό είναι κάτι που ονομάζεται κβαντικό bit ή qubit. Αυτά είναι γενικά υποατομικά σωματίδια όπως φωτόνια ή ηλεκτρόνια.

Το κλειδί για την προηγμένη υπολογιστική ισχύ μιας κβαντικής μηχανής βρίσκεται στην ικανότητά της να χειρίζεται αυτά τα qubits.

«Ένα qubit είναι ένα κβαντικό σύστημα δύο επιπέδων που σας επιτρέπει να αποθηκεύετε κβαντικές πληροφορίες», δήλωσε στο Euronews Next ο Ivano Tavernelli, παγκόσμιος ηγέτης στους προηγμένους αλγόριθμους για κβαντικές προσομοιώσεις στο Ερευνητικό Εργαστήριο της IBM Zurich.

«Αντί να έχουμε απλώς τα δύο επίπεδα μηδέν και ένα που θα είχατε εδώ σε έναν κλασικό υπολογισμό, μπορούμε να κατασκευάσουμε μια υπέρθεση αυτών των δύο καταστάσεων», πρόσθεσε.

Επικάλυμμα

Η υπέρθεση Qubit σημαίνει ότι σε αντίθεση με ένα δυαδικό σύστημα με τις δύο πιθανές τιμές του, 0 ή 1, ένα qubit σε υπέρθεση μπορεί να είναι 0 ή 1 ή 0 και 1 ταυτόχρονα.

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

Και αν δεν μπορείτε να το καταλάβετε αυτό, η αναλογία που δίνεται συχνά είναι αυτή της δεκάρας.

Όταν είναι ακίνητο, μια δεκάρα έχει δύο πλευρές, κεφάλια ή ουρές. Τι γίνεται όμως αν το επιστρέψεις; Ή να το περιστρέψω; Κατά κάποιο τρόπο, είναι και τα κεφάλια και οι ουρές μέχρι να προσγειωθεί και μπορείτε να το μετρήσετε.

Και για τους υπολογιστές, αυτή η ικανότητα να βρίσκεστε σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα σημαίνει ότι έχετε έναν εκθετικά μεγαλύτερο αριθμό καταστάσεων για να κωδικοποιήσετε δεδομένα, καθιστώντας τους κβαντικούς υπολογιστές εκθετικά πιο ισχυρούς από τους κβαντικούς υπολογιστές. παραδοσιακός δυαδικός κώδικας.

Κβαντική εμπλοκή

Μια άλλη ιδιότητα καθοριστική για τη λειτουργία του κβαντικού υπολογισμού είναι η εμπλοκή. Είναι ένα κάπως μυστηριώδες χαρακτηριστικό της κβαντικής μηχανικής που μπέρδεψε ακόμη και τον Αϊνστάιν στην εποχή του, ο οποίος το αποκάλεσε «απόκοσμη δράση από απόσταση».

Όταν δύο qubits δημιουργούνται σε μια μπερδεμένη κατάσταση, υπάρχει μια μετρήσιμη άμεση συσχέτιση μεταξύ του τι συμβαίνει στο ένα qubit σε ένα μπερδεμένο ζεύγος και του τι συμβαίνει στο άλλο, ανεξάρτητα από την απόστασή τους. Αυτό το φαινόμενο δεν έχει αντίστοιχο στον κλασικό κόσμο.

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

“Αυτή η ιδιότητα της εμπλοκής είναι πολύ σημαντική γιατί παρέχει πολύ ισχυρότερη συνδεσιμότητα μεταξύ των διαφορετικών μονάδων και των qubits. Η επεξεργαστική ισχύς αυτού του συστήματος είναι επομένως ισχυρότερη και καλύτερη από αυτή του κλασικού υπολογιστή”, Alessandro Curioni, διευθυντής του ερευνητικού κέντρου IBM. Εργαστήριο στη Ζυρίχη, εξήγησε στο Euronews Next.

Μάλιστα, φέτος το Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε σε τρεις επιστήμονες, τους Alain Aspect, John Clauser και Anton Zeilinger, για τα πειράματά τους στη διαπλοκή και τις προόδους στον τομέα της κβαντικής πληροφορίας.

Γιατί χρειαζόμαστε κβαντικούς υπολογιστές;

Έτσι, με λίγα λόγια, ομολογουμένως απλοποιημένα, αυτά είναι τα δομικά στοιχεία του τρόπου λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών.

Αλλά για άλλη μια φορά, γιατί χρειαζόμαστε απαραιτήτως τέτοια υπερ-ισχυρά μηχανήματα όταν έχουμε ήδη υπερυπολογιστές;

“[The] Ο κβαντικός υπολογιστής θα κάνει πολύ πιο εύκολη την προσομοίωση του φυσικού κόσμου», είπε.

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

«Ένας κβαντικός υπολογιστής θα είναι σε θέση να προσομοιώνει καλύτερα τον κβαντικό κόσμο και επομένως την προσομοίωση ατόμων και μορίων».

Όπως εξηγεί ο Curioni, αυτό θα επιτρέψει στους κβαντικούς υπολογιστές να διευκολύνουν το σχεδιασμό και την ανακάλυψη νέων υλικών με κατάλληλες ιδιότητες.

“Εάν είμαι σε θέση να σχεδιάσω ένα καλύτερο υλικό για αποθήκευση ενέργειας, μπορώ να λύσω το πρόβλημα της κινητικότητας. Εάν είμαι σε θέση να σχεδιάσω ένα καλύτερο υλικό για αποθήκευση ενέργειας, είμαι σε θέση να λύσω το πρόβλημα κινητικότητας. πρόβλημα πείνας και παραγωγής τροφής. Εάν είμαι σε θέση να σχεδιάσω ένα καλύτερο υλικό για αποθήκευση ενέργειας, μπορώ να λύσω το πρόβλημα της κινητικότητας. είμαι σε θέση να σχεδιάσω ένα νέο υλικό που επιτρέπει [us] με τη δέσμευση CO2, είμαι ικανός να λύσω το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής», είπε.

Ανεπιθύμητες παρενέργειες;

Αλλά θα μπορούσαν επίσης να υπάρξουν ανεπιθύμητες παρενέργειες που θα πρέπει να ληφθούν υπόψη καθώς εισερχόμαστε στην κβαντική εποχή.

Μία από τις κύριες ανησυχίες είναι ότι οι κβαντικοί υπολογιστές του μέλλοντος θα μπορούσαν να εξοπλιστούν με τόσο ισχυρή υπολογιστική ικανότητα που θα μπορούσαν να σπάσουν τα πρωτόκολλα κρυπτογράφησης που είναι θεμελιώδη για την ασφάλεια του Διαδικτύου που έχουμε σήμερα.

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

“Όταν οι άνθρωποι επικοινωνούν μέσω Διαδικτύου, ο καθένας μπορεί να ακούσει τη συνομιλία. Επομένως, πρέπει πρώτα να κρυπτογραφηθούν. Και ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η κρυπτογράφηση μεταξύ δύο ατόμων που δεν έχουν συναντηθεί είναι ότι πρέπει να βασίζονται ο ένας στον άλλον. σε αλγόριθμους γνωστούς ως RSA ή Elliptic Curve., Diffie-Hellman, για να ανταλλάξουμε ένα μυστικό κλειδί», εξηγεί ο Vadim Lyubashevsky, κρυπτογράφος στο ερευνητικό εργαστήριο της IBM στη Ζυρίχη.

«Η ανταλλαγή του μυστικού κλειδιού είναι το πιο δύσκολο κομμάτι και απαιτεί ορισμένες μαθηματικές υποθέσεις που δεν ισχύουν πλέον με τους κβαντικούς υπολογιστές».

Προκειμένου να προστατευτεί από αυτό, ο Lyubashevsky υποστηρίζει ότι οι οργανισμοί και οι κρατικοί φορείς θα πρέπει ήδη να ενημερώσουν την κρυπτογράφηση τους σε κβαντικά ασφαλείς αλγόριθμους, δηλ. αυτά που δεν μπορούν να σπάσουν από κβαντικούς υπολογιστές.

Πολλοί από αυτούς τους αλγόριθμους έχουν ήδη κατασκευαστεί και άλλοι βρίσκονται υπό ανάπτυξη.

«Ακόμα κι αν δεν έχουμε κβαντικό υπολογιστή, μπορούμε να γράψουμε αλγόριθμους και ξέρουμε τι θα κάνει μόλις υπάρξει, πώς θα εκτελέσει αυτούς τους αλγόριθμους», είπε.

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

“Έχουμε συγκεκριμένες προσδοκίες για το τι θα κάνει ένας συγκεκριμένος κβαντικός υπολογιστής και πώς θα σπάσει ορισμένα συστήματα κρυπτογράφησης ή ορισμένα άλλα κρυπτογραφικά συστήματα. Έτσι μπορούμε σίγουρα να προετοιμαστούμε για τέτοια πράγματα”, πρόσθεσε ο Λιουμπασέφσκι.

“Και είναι λογικό. Είναι λογικό να προετοιμαζόμαστε για τέτοια πράγματα γιατί ξέρουμε ακριβώς τι πρόκειται να κάνουν.”

Υπάρχει όμως και το πρόβλημα των δεδομένων που ήδη υπάρχει και δεν έχουν κρυπτογραφηθεί με κβαντικούς ασφαλείς αλγόριθμους.

«Υπάρχει πολύ μεγάλος κίνδυνος οι κυβερνητικοί οργανισμοί να αποθηκεύουν ήδη μεγάλη κίνηση στο Διαδίκτυο με την ελπίδα ότι μόλις κατασκευάσουν έναν κβαντικό υπολογιστή θα είναι σε θέση να τον αποκρυπτογραφήσουν», είπε.

“Έτσι, ακόμα κι αν τα πράγματα εξακολουθούν να είναι ασφαλή σήμερα, ίσως κάτι συμβεί σήμερα που θα είναι ακόμα ενδιαφέρον σε δέκα ή δεκαπέντε χρόνια. Και τότε είναι που η κυβέρνηση, όποιος κι αν κατασκευάσει έναν κβαντικό υπολογιστή θα μπορεί να τον αποκρυπτογραφήσει και ίσως να το χρησιμοποιήσει πληροφορίες.Δεν πρέπει να το καταναλώνουν».

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

Ακόμα κι έτσι, λαμβάνοντας υπόψη τα πιθανά οφέλη των κβαντικών υπολογιστών, ο Lyubashevsky λέει ότι αυτοί οι κίνδυνοι δεν πρέπει να σταματήσουν την ανάπτυξη αυτών των μηχανών.

«Το σπάσιμο της κρυπτογραφίας δεν είναι ο στόχος των κβαντικών υπολογιστών, είναι απλώς μια παρενέργεια», είπε.

“Ελπίζουμε ότι θα έχει πολύ πιο χρήσιμα βοηθητικά προγράμματα, όπως η αύξηση της ταχύτητας με την οποία μπορείτε να ανακαλύψετε χημικές αντιδράσεις και να τις χρησιμοποιήσετε για φάρμακα και τέτοια πράγματα. Αυτό είναι λοιπόν το νόημα ενός κβαντικού υπολογιστή”, πρόσθεσε.

“Και φυσικά αυτό έχει την αρνητική παρενέργεια της παραβίασης της κρυπτογραφίας. Αλλά αυτός δεν είναι λόγος να μην κατασκευάσουμε έναν κβαντικό υπολογιστή, γιατί μπορούμε να το διορθώσουμε και το έχουμε διορθώσει. Επομένως, αυτό είναι ένα πρόβλημα που λύνεται εύκολα εδώ.”

Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτήν την ιστορία, παρακολουθήστε το επεξηγητικό βίντεο στο παραπάνω πρόγραμμα αναπαραγωγής πολυμέσων.

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *