Φανταστείτε έναν υπολογιστή του οποίου η μνήμη είναι εκθετικά μεγαλύτερη από το φαινομενικό φυσικό του μέγεθος- έναν υπολογιστή που μπορεί να χειριστεί ένα εκθετικό σύνολο εισόδων ταυτόχρονα- έναν υπολογιστή που υπολογίζει στη ζώνη του λυκόφωτος του χώρου. Θα σκεφτόσασταν έναν κβαντικό υπολογιστή. Χρειάζονται σχετικά λίγες και απλές έννοιες από την κβαντομηχανική για να γίνουν εφικτοί οι κβαντικοί υπολογιστές. Η λεπτότητα έγκειται στην εκμάθηση του χειρισμού αυτών των εννοιών. Είναι ένας τέτοιος υπολογιστής αναπόφευκτος ή θα είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστεί;
Σύμφωνα με τους παράξενους νόμους της κβαντομηχανικής, ο Folger, ανώτερος συντάκτης του Discover, σημειώνει ότι- ένα ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο ή άλλο υποατομικό σωματίδιο βρίσκεται “σε περισσότερα από ένα μέρη ταυτόχρονα”, επειδή τα μεμονωμένα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν κύματα, αυτά τα διαφορετικά μέρη είναι διαφορετικές καταστάσεις στις οποίες μπορεί να υπάρχει ταυτόχρονα ένα άτομο.
Ποιο είναι το μεγάλο θέμα με τους κβαντικούς υπολογιστές; Φανταστείτε ότι βρίσκεστε σε ένα μεγάλο κτίριο γραφείων και πρέπει να ανακτήσετε έναν χαρτοφύλακα που έχει αφεθεί σε ένα γραφείο που επιλέχθηκε τυχαία σε ένα από τα εκατοντάδες γραφεία. Με τον ίδιο τρόπο που θα έπρεπε να περπατήσετε μέσα στο κτίριο, ανοίγοντας μία-μία τις πόρτες για να βρείτε τον χαρτοφύλακα, ένας συνηθισμένος υπολογιστής πρέπει να διασχίσει μεγάλες σειρές από 1 και 0 μέχρι να φτάσει στην απάντηση. Τι θα γινόταν όμως αν αντί να πρέπει να ψάξετε μόνοι σας, μπορούσατε να δημιουργήσετε αμέσως τόσα αντίγραφα του εαυτού σας όσα είναι τα δωμάτια του κτιρίου, όλα τα αντίγραφα θα μπορούσαν να κρυφοκοιτάξουν ταυτόχρονα σε όλα τα γραφεία, και εκείνο που θα βρει τον χαρτοφύλακα θα γινόταν ο πραγματικός εαυτός σας, ενώ τα υπόλοιπα απλώς θα εξαφανίζονταν. – (David Freeman, discover )
Ο David Deutsch, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, υποστήριξε ότι μπορεί να είναι δυνατή η κατασκευή ενός εξαιρετικά ισχυρού υπολογιστή με βάση αυτή την ιδιότυπη πραγματικότητα. Το 1994, ο Peter Shor, ένας μαθηματικός στα εργαστήρια AT&T Bell Laboratories στο New Jersey, απέδειξε ότι, θεωρητικά τουλάχιστον, ένας πλήρως ανεπτυγμένος κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να υπολογίσει ακόμη και τους μεγαλύτερους αριθμούς σε δευτερόλεπτα- ένα επίτευγμα αδύνατο ακόμη και για τον ταχύτερο συμβατικό υπολογιστή. Μια έξαρση θεωριών και συζητήσεων σχετικά με τη δυνατότητα κατασκευής ενός κβαντικού υπολογιστή διαπερνά πλέον όλα τα κβαντικά πεδία της τεχνολογίας και της έρευνας.
Οι ρίζες της εντοπίζονται στο 1981, όταν ο Richard Feynman παρατήρησε ότι οι φυσικοί φαίνεται να αντιμετωπίζουν πάντα υπολογιστικά προβλήματα όταν προσπαθούν να προσομοιώσουν ένα σύστημα στο οποίο θα λάμβανε χώρα η κβαντομηχανική. Οι υπολογισμοί που αφορούν τη συμπεριφορά των ατόμων, των ηλεκτρονίων ή των φωτονίων, απαιτούν τεράστιο χρόνο στους σημερινούς υπολογιστές. Το 1985 στην Οξφόρδη της Αγγλίας ήρθε στην επιφάνεια η πρώτη περιγραφή του τρόπου με τον οποίο θα μπορούσε να λειτουργήσει ένας κβαντικός υπολογιστής με τις θεωρίες του David Deutsch. Η νέα συσκευή όχι μόνο θα μπορούσε να ξεπεράσει τους σημερινούς υπολογιστές σε ταχύτητα, αλλά και να εκτελέσει ορισμένες λογικές πράξεις που οι συμβατικοί δεν μπορούσαν.
Αυτή η έρευνα άρχισε να εξετάζει την πραγματική κατασκευή μιας συσκευής και με την έγκριση και την πρόσθετη χρηματοδότηση των εργαστηρίων AT&T Bell Laboratories στο Murray Hill του New Jersey προστέθηκε ένα νέο μέλος στην ομάδα. Ο Peter Shor έκανε την ανακάλυψη ότι ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την παραγοντοποίηση ακέραιων αριθμών. Πρόκειται για κάτι περισσότερο από ένα απλό βήμα στην τεχνολογία των μικροϋπολογιστών, αλλά θα μπορούσε να προσφέρει γνώσεις σε πραγματικές εφαρμογές όπως η κρυπτογραφία.
“Υπάρχει μια ελπίδα στην άκρη του τούνελ ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορεί μια μέρα να γίνουν πραγματικότητα”, λέει ο Gilles Brassard του Πανεπιστημίου του Μόντρεαλ. Η κβαντομηχανική δίνει μια απροσδόκητη σαφήνεια στην περιγραφή της συμπεριφοράς των ατόμων, των ηλεκτρονίων και των φωτονίων στα μικροσκοπικά επίπεδα. Αν και οι πληροφορίες αυτές δεν είναι εφαρμόσιμες σε καθημερινές οικιακές χρήσεις, σίγουρα εφαρμόζονται σε κάθε αλληλεπίδραση της ύλης που μπορούμε να δούμε, τα πραγματικά οφέλη αυτής της γνώσης μόλις τώρα αρχίζουν να φαίνονται.
Στους υπολογιστές μας, οι πλακέτες κυκλωμάτων είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε ένα 1 ή ένα 0 να αντιπροσωπεύεται από διαφορετικές ποσότητες ηλεκτρισμού, το αποτέλεσμα της μιας δυνατότητας δεν έχει καμία επίδραση στην άλλη. Ωστόσο, ένα πρόβλημα προκύπτει όταν εισάγονται κβαντικές θεωρίες, τα αποτελέσματα προέρχονται από ένα μόνο κομμάτι υλικού που υπάρχει σε δύο διαφορετικές πραγματικότητες και αυτές οι πραγματικότητες επικαλύπτονται μεταξύ τους επηρεάζοντας και τα δύο αποτελέσματα ταυτόχρονα. Αυτά τα προβλήματα μπορούν ωστόσο να γίνουν ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα του νέου υπολογιστή, αν είναι δυνατόν να προγραμματιστούν τα αποτελέσματα με τέτοιο τρόπο ώστε τα ανεπιθύμητα αποτελέσματα να ακυρώνονται, ενώ τα θετικά να αλληλοενισχύονται.
Αυτό το κβαντικό σύστημα πρέπει να είναι σε θέση να προγραμματίσει την εξίσωση σε αυτό, να επαληθεύσει τον υπολογισμό του και να εξάγει τα αποτελέσματα. Διάφορα πιθανά συστήματα έχουν εξεταστεί από τους ερευνητές, ένα από τα οποία περιλαμβάνει τη χρήση ηλεκτρονίων, ατόμων ή ιόντων παγιδευμένων μέσα σε μαγνητικά πεδία, στη συνέχεια θα χρησιμοποιούνταν τέμνοντα λέιζερ για να διεγείρουν τα περιορισμένα σωματίδια στο σωστό μήκος κύματος και μια δεύτερη φορά για να επαναφέρουν τα σωματίδια στη βασική τους κατάσταση. Μια ακολουθία παλμών θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη διάταξη των σωματιδίων σε ένα μοτίβο που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο σύστημα των εξισώσεών μας.
Μια άλλη δυνατότητα από τον Seth Lloyd του ΜΙΤ πρότεινε τη χρήση οργανικών-μεταλλικών πολυμερών (μονοδιάστατα μόρια από επαναλαμβανόμενα άτομα). Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός συγκεκριμένου ατόμου θα καθορίζονταν από την αλληλεπίδρασή του με τα γειτονικά άτομα της αλυσίδας. Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν παλμοί λέιζερ για την αποστολή σημάτων κατά μήκος της πολυμερικής αλυσίδας και τα δύο άκρα θα δημιουργούσαν δύο μοναδικές ενεργειακές καταστάσεις.
Μια τρίτη πρόταση ήταν να αντικατασταθούν τα οργανικά μόρια με κρυστάλλους στους οποίους θα αποθηκεύονταν πληροφορίες στους κρυστάλλους σε συγκεκριμένες συχνότητες που θα μπορούσαν να επεξεργαστούν με πρόσθετους παλμούς. Οι ατομικοί πυρήνες, που περιστρέφονται σε μία από τις δύο καταστάσεις (δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα) θα μπορούσαν να προγραμματιστούν με την άκρη ενός ατομικού μικροσκοπίου, είτε “διαβάζοντας” την επιφάνειά του είτε αλλοιώνοντάς την, κάτι που φυσικά θα αποτελούσε το “γράψιμο” μέρος της αποθήκευσης πληροφοριών. “Με επαναλαμβανόμενες κινήσεις της άκρης, θα μπορούσατε τελικά να γράψετε οποιοδήποτε επιθυμητό λογικό κύκλωμα”, δήλωσε ο DiVincenzo.
Αυτή η δύναμη έχει όμως ένα τίμημα, καθώς οι καταστάσεις αυτές θα πρέπει να παραμείνουν εντελώς απομονωμένες από τα πάντα, συμπεριλαμβανομένου ενός αδέσποτου φωτονίου. Αυτές οι εξωτερικές επιρροές θα συσσωρεύονταν, με αποτέλεσμα το σύστημα να περιπλανιέται εκτός πορείας και θα μπορούσε ακόμη και να γυρίσει και να καταλήξει να πηγαίνει προς τα πίσω προκαλώντας συχνά λάθη. Για να μη διαμορφωθεί αυτό το φαινόμενο έχουν προκύψει νέες θεωρίες για να το ξεπεράσουν. Ένας τρόπος είναι να διατηρούνται οι υπολογισμοί σχετικά σύντομοι ώστε να μειώνονται οι πιθανότητες λάθους, ένας άλλος θα ήταν να αποκαθίστανται πλεονάζοντα αντίγραφα των πληροφοριών σε ξεχωριστές μηχανές και να λαμβάνεται ο μέσος όρος (mode) των απαντήσεων.
Αυτό θα εγκατέλειπε αναμφίβολα τα όποια πλεονεκτήματα του κβαντικού υπολογιστή, και έτσι τα εργαστήρια AT&T Bell Laboratories εφηύραν μια μέθοδο διόρθωσης σφαλμάτων στην οποία το κβαντικό bit των δεδομένων θα κωδικοποιούνταν σε ένα από τα εννέα κβαντικά bits. Εάν ένα από τα εννέα χάνονταν, θα ήταν δυνατό να ανακτηθούν τα δεδομένα από τις πληροφορίες που θα περνούσαν. Αυτή θα ήταν η προστατευμένη θέση στην οποία θα εισερχόταν η κβαντική κατάσταση πριν μεταδοθεί. Επίσης, δεδομένου ότι οι καταστάσεις των ατόμων υπάρχουν σε δύο καταστάσεις, εάν η μία καταστρεφόταν, η κατάσταση του ατόμου θα μπορούσε να προσδιοριστεί απλώς παρατηρώντας το αντίθετο άκρο του ατόμου, δεδομένου ότι κάθε πλευρά περιέχει την ακριβώς αντίθετη πολικότητα.
Οι πύλες που θα μετέδιδαν την πληροφορία είναι αυτό στο οποίο εστιάζουν κυρίως οι ερευνητές σήμερα, αυτή η ενιαία κβαντική λογική πύλη και η διάταξη των στοιχείων της για την εκτέλεση μιας συγκεκριμένης λειτουργίας. Μια τέτοια πύλη θα μπορούσε να ελέγξει τη μετάβαση από το 1 στο 0 και πίσω, ενώ μια άλλη θα μπορούσε να πάρει δύο bits και να κάνει το αποτέλεσμα 0 αν και τα δύο είναι ίδια, 1 αν είναι διαφορετικά.
Αυτές οι πύλες θα μπορούσαν να είναι σειρές ιόντων που κρατούνται σε μαγνητική παγίδα ή μεμονωμένα άτομα που περνούν μέσα από κοιλότητες μικροκυμάτων. Αυτή η ενιαία πύλη θα μπορούσε να κατασκευαστεί μέσα στα επόμενα ένα ή δύο χρόνια, ωστόσο ένας λογικός υπολογιστής πρέπει να έχει εκατομμύρια πύλες για να γίνει πρακτικός. Ο Tycho Sleator του NYU και ο Harald Weinfurter του UIA βλέπουν τις κβαντικές λογικές πύλες ως απλά βήματα προς την κατασκευή ενός κβαντικού λογικού δικτύου.
Τα δίκτυα αυτά δεν θα είναι παρά σειρές από πύλες που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ακτίνες λέιζερ που λάμπουν πάνω στα ιόντα προκαλούν μια μετάβαση από μια κβαντική κατάσταση σε μια άλλη, η οποία μπορεί να αλλάξει τον τύπο της συλλογικής κίνησης που είναι δυνατή στη σειρά και έτσι μια συγκεκριμένη συχνότητα φωτός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ιόντων. Μια ονομασία που δόθηκε σε αυτές τις συστοιχίες ονομάστηκε “συστοιχίες κβαντικών κουκκίδων”, δεδομένου ότι τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια θα περιορίζονταν στις δομές κβαντικών κουκκίδων, κωδικοποιώντας πληροφορίες για την εκτέλεση μαθηματικών πράξεων από την απλή πρόσθεση έως την παραγοντοποίηση αυτών των ακέραιων αριθμών.
Οι δομές “κβαντικών κουκκίδων” θα βασίζονταν στις προόδους στην κατασκευή μικροσκοπικών κουτιών ημιαγωγών, τα τοιχώματα των οποίων κρατούν τα ηλεκτρόνια περιορισμένα στη μικρή περιοχή του υλικού, ένας άλλος τρόπος ελέγχου του τρόπου επεξεργασίας των πληροφοριών. Ο Craig Lent, ο κύριος ερευνητής του έργου, βασίστηκε σε μια μονάδα που αποτελείται από πέντε κβαντικές κουκκίδες, μία στο κέντρο και τέσσερις και στα άκρα ενός τετραγώνου, τα ηλεκτρόνια θα διοχετεύονταν μεταξύ οποιασδήποτε από τις δύο τοποθεσίες.
Η σύνδεση αυτών των στοιχείων μεταξύ τους θα δημιουργούσε τα λογικά κυκλώματα που θα απαιτούσε ο νέος κβαντικός υπολογιστής. Η απόσταση θα ήταν επαρκής για τη δημιουργία “δυαδικών συρμάτων” που θα αποτελούνταν από σειρές αυτών των μονάδων, με την αναστροφή της κατάστασης στο ένα άκρο να προκαλεί αλυσιδωτή αντίδραση για την αναστροφή όλων των καταστάσεων των μονάδων προς τα κάτω κατά μήκος του σύρματος, όπως τα σημερινά ντόμινο μεταδίδουν αδράνεια. Οι εικασίες σχετικά με τον αντίκτυπο μιας τέτοιας τεχνολογίας συζητούνται και ονειρεύονται εδώ και χρόνια.
Στα σημεία που επιχειρηματολογούν, το σημείο που θα μπορούσε να προκαλέσει δυνητική ζημιά είναι ότι η υπολογιστική ταχύτητα θα ήταν σε θέση να ανατρέψει κάθε προσπάθεια για ασφάλεια, ειδικά το πρότυπο κρυπτογράφησης δεδομένων της NSA τώρα θα ήταν άχρηστο, καθώς ο αλγόριθμος θα αποτελούσε ένα τετριμμένο πρόβλημα για μια τέτοια μηχανή. Όσον αφορά το τελευταίο μέρος, αυτή η ονειρεμένη πραγματικότητα εμφανίστηκε για πρώτη φορά στην τηλεοπτική σειρά Quantum Leap, όπου αυτή η τεχνολογία γίνεται εύκολα αντιληπτή όταν αναφέρεται ο Ziggy -ο παράλληλος υβριδικός υπολογιστής που έχει σχεδιάσει και προγραμματίσει-, οι δυνατότητες ενός κβαντικού υπολογιστή αντικατοπτρίζουν αυτές του υβριδικού υπολογιστή της σειράς.
