Ο κλασικός υπολογισμός αγκαλιάζει τις κβαντικές ιδέες

Κάποτε, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορεί να είναι σε θέση να λύσουν πολύπλοκα προβλήματα βελτιστοποίησης, να εξορύξουν γρήγορα τεράστια σύνολα δεδομένων, να προσομοιώσουν το είδος των πειραμάτων φυσικής που απαιτούν επί του παρόντος επιταχυντές σωματιδίων δισεκατομμυρίων δολαρίων και να ολοκληρώσουν πολλές άλλες εργασίες πέρα ​​από το πεδίο των σημερινών υπολογιστών. Αν ποτέ κατασκευαστούν δηλαδή. Ωστόσο, ακόμη και όταν οι τρομακτικές τεχνικές προκλήσεις κρατούν το όνειρο μακριά, οι θεωρητικοί βάζουν όλο και περισσότερο τις ιδέες και τις τεχνικές του κβαντικού υπολογισμού για να λύσουν βαθιά, μακροχρόνια προβλήματα στην κλασική επιστήμη των υπολογιστών, τα μαθηματικά και την κρυπτογραφία.

«Υπάρχουν αρκετά έντονες συζητήσεις σχετικά με το αν θα κατασκευαστούν ποτέ πραγματικά κβαντικοί υπολογιστές», δήλωσε ο Chris Peikert, κρυπτογράφος και επιστήμονας υπολογιστών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια. "Αλλά αυτό είναι μια ξεχωριστή ερώτηση από το εάν οι κβαντικές τεχνικές ή οι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν να σας βοηθήσουν να λύσετε προβλήματα με νέους τρόπους."

Τα τελευταία χρόνια, οι κβαντικές ιδέες βοήθησαν τους ερευνητές να αποδείξουν την ασφάλεια των πολλά υποσχόμενων σχημάτων κρυπτογράφησης δεδομένων που ονομάζονται κρυπτοσυστήματα βασισμένα σε πλέγμα, ορισμένες εφαρμογές των οποίων μπορούν να καλύπτουν ευαίσθητες πληροφορίες των χρηστών, όπως το DNA, ακόμη και από τις εταιρείες που το επεξεργάζονται. Μια απόδειξη κβαντικών υπολογιστών οδήγησε επίσης σε έναν τύπο για το ελάχιστο μήκος των κωδικών διόρθωσης σφαλμάτων, οι οποίοι αποτελούν διασφαλίσεις έναντι της καταστροφής δεδομένων.

Οι κβαντικές ιδέες έχουν επίσης εμπνεύσει μια σειρά από σημαντικά θεωρητικά αποτελέσματα, όπως η διάψευση ενός παλιού, λανθασμένου αλγόριθμου που ισχυριζόταν ότι έλυνε αποτελεσματικά το περίφημο δύσκολο πρόβλημα του ταξιδιώτη πωλητή, το οποίο ρωτά πώς να βρείτε την ταχύτερη διαδρομή μέσω πολλών πόλεων.

«Αν συνέβαινε μόνο μία φορά, θα ήταν σύμπτωση, αλλά υπάρχουν τόσες πολλές περιπτώσεις που «σκεφτόμαστε κβαντικά» και καταλήγουμε σε μια απόδειξη», δήλωσε ο Oded Regev, επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.

Αυτό το επαναλαμβανόμενο θέμα οδήγησε ορισμένους ερευνητές να υποστηρίξουν ότι ο κβαντικός υπολογισμός δεν είναι ένα εσωτερικό υποπεδίο της επιστήμης των υπολογιστών, αλλά μάλλον μια γενίκευση των κλασικών υπολογιστών, με τον ίδιο σχεδόν τρόπο που τα πολύγωνα είναι μια γενίκευση τριγώνων. Όπως τα πολύγωνα μπορούν να έχουν οποιονδήποτε αριθμό πλευρών ενώ τα τρίγωνα έχουν μόνο τρεις, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να εκτελούν πράξεις που αντιπροσωπεύονται από οποιουσδήποτε αριθμούς (θετικούς ή αρνητικούς, πραγματικούς ή φανταστικούς), ενώ οι πράξεις σε κλασικούς υπολογιστές χρησιμοποιούν μόνο μη αρνητικούς πραγματικούς αριθμούς.

Ως γενικότερη περίπτωση, οι κβαντικές ιδέες είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την ανάπτυξη πιο συγκεκριμένων κλασικών υπολογιστικών αποδείξεων. «Υπάρχει μια σειρά από κλασικά προβλήματα που δεν έχουν καμία σχέση με το κβαντικό, αλλά αναλύονται πιο εύκολα γενικεύοντας στο κβαντικό επίπεδο, αποδεικνύοντας κάτι χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία πληροφοριών και κλιμακώνοντας το αποτέλεσμα στο κλασικό επίπεδο», είπε ο Ronald de Wolf, θεωρητικός επιστήμονας υπολογιστών στο Ολλανδικό Κέντρο Μαθηματικών και Επιστήμης Υπολογιστών.

Επί του παρόντος, υπολογίζεται ότι λιγότερο από το 5 τοις εκατό των θεωρητικών επιστημόνων υπολογιστών μελετούν τους κβαντικούς υπολογιστές. Αλλά οι ερευνητές λένε ότι η πρόσφατη επιτυχία από την «κβαντική σκέψη» οδήγησε έναν αυξανόμενο αριθμό θεωρητικών να εξερευνήσουν τη φυσική τους. «Αυτές οι πολύ εντυπωσιακές παρενέργειες του κβαντικού υπολογισμού έχουν πραγματικά προσελκύσει τους κλασικούς επιστήμονες υπολογιστών να μάθουν κάτι για τους κβαντικούς υπολογιστές», δήλωσε ο Scott Aaronson, ένας θεωρητικός επιστήμονας υπολογιστών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Ο στόχος του κβαντικού υπολογισμού είναι να αξιοποιήσει την περίεργη συμπεριφορά των σωματιδίων στην κβαντική κλίμακα, προκειμένου να εκτελέσει υπολογισμούς που δεν πιστεύεται ότι είναι εφικτές με τους συμβατικούς υπολογιστές. Ένας συνηθισμένος υπολογιστής αποθηκεύει "bits" πληροφοριών σε τρανζίστορ, τα οποία, όπως και οι διακόπτες, μπορούν να ρυθμιστούν σε μία από τις δύο καταστάσεις, που αντιπροσωπεύονται από "1" ή "0". Ένας κβαντικός υπολογιστής αποθηκεύει «qubits» πληροφοριών σε υποατομικά σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια ή φωτόνια, τα οποία μπορεί να υπάρχουν στην κατάσταση 1 ή 0, ή σε μια υπέρθεση και των δύο καταστάσεων, και τα οποία μπορούν να μπλέξουν το ένα με το άλλο, έτσι ώστε η κατάσταση ένα qubit αποφασίζει την κατάσταση ενός άλλου.

Η υπέρθεση και η εμπλοκή προκαλούν τα qubits να συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά από τα bit. Ενώ ένα κύκλωμα δύο bit σε έναν συμβατικό υπολογιστή μπορεί να είναι μόνο σε μία από τις τέσσερις πιθανές καταστάσεις (0 και 0, 0 και 1, 1 και 0, ή 1 και 1), ένα ζεύγος qubits μπορεί να είναι σε συνδυασμό και των τεσσάρων . Καθώς ο αριθμός των qubits στο κύκλωμα αυξάνεται, ο αριθμός των πιθανών καταστάσεων, και επομένως η ποσότητα των πληροφοριών που περιέχονται στο σύστημα, αυξάνεται εκθετικά. Ένας κβαντικός υπολογιστής με μόλις μερικές εκατοντάδες qubits θα μπορούσε να λύσει ορισμένα προβλήματα πιο γρήγορα από τους σημερινούς υπερυπολογιστές.

Το μόνο πρόβλημα είναι ότι κανείς δεν έχει καταφέρει να κατασκευάσει ένα κβαντικό κύκλωμα με περισσότερα qubits από όσα μπορείτε να μετρήσετε και στα δύο χέρια. Ο Chris Lirakis, ένας φυσικός στην ομάδα υπεραγώγιμων κβαντικών υπολογισμών στην IBM Research, εξήγησε ότι για να μην καταρρεύσει η λεπτή εμπλοκή ενός συστήματος qubits, το σύστημα πρέπει να απομονωθεί και να ψυχθεί σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν. Ταυτόχρονα, τα qubits πρέπει να απέχουν περίπου ένα εκατοστό μεταξύ τους για να αποτρέψουν μια λειτουργία που εκτελείται σε ένα qubit να αλλάξει τις καταστάσεις γειτονικών. Αυτή η πρόκληση θα έκανε ένα σύστημα χιλιάδων qubit πολύ μεγάλο για να χωρέσει στα είδη ψυγείων που μπορούν να επιτύχουν τέτοια ακραία ψύξη.

«Υπάρχουν πολλές πραγματικά σοβαρές μηχανολογικές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν για να γίνει το σύστημα επεκτάσιμο», είπε ο κ. Λυράκης. "Είναι αυτή η διελκυστίνδα μεταξύ όλων αυτών των διαφορετικών ζητημάτων."

Ο Regev, ο οποίος συνεργάστηκε με τον Peikert στη χρήση κβαντικών ιδεών για να αποδείξει την ασφάλεια των κρυπτοσυστημάτων που βασίζονται σε πλέγμα, λέει ότι ελπίζει να κατασκευαστούν κβαντικοί υπολογιστές στη διάρκεια της ζωής του, ώστε να μπορεί να τους δει σε δράση. "Αλλά η κβαντική έχει τόσο μεγάλη επίδραση που ακόμα κι αν δεν κατασκευαστούν ποτέ κβαντικοί υπολογιστές, δεν θα με ένοιαζε πάρα πολύ", είπε.

Καθώς οι κβαντικές τεχνικές γίνονται πιο δημοφιλείς μεταξύ των επιστημόνων υπολογιστών, πιθανότατα θα παράγουν πιο κλασικά αποτελέσματα. «Αυτά τα αποτελέσματα είναι που με πείθουν ότι ακόμα κι αν το σύμπαν δεν ήταν κβαντομηχανικό», είπε ο Aaronson, «τελικά οι επιστήμονες υπολογιστών θα είχαν εφεύρει τον κβαντικό υπολογισμό ως εργαλείο απόδειξης».