Οι βασικές έννοιες που θέλετε να γνωρίζετε [Video]

Η ομάδα Quantum AI της Google παρουσίασε το Willow, έναν υπερσύγχρονο κβαντικό επεξεργαστή που έχει αποδείξει την ικανότητα όχι μόνο να διορθώνει εκθετικά τα σφάλματα, αλλά και να επεξεργάζεται ορισμένους υπολογισμούς ταχύτερα από ό,τι οι υπερυπολογιστές θα μπορούσαν εντός των γνωστών χρονικών κλιμάκων της Φυσικής.

Πρόκειται για ένα σημαντικό ορόσημο στο ταξίδι της ομάδας Quantum AI για τη δημιουργία ενός αξιόπιστου κβαντικού υπολογιστή που θα μπορεί να επεκτείνει την ανθρώπινη γνώση προς όφελος όλων των ανθρώπων. Η κβαντική είναι μια νέα προσέγγιση στην πληροφορική, όπου οι άνθρωποι κατασκευάζουν μηχανές που χρησιμοποιούν την κβαντική μηχανική – τη θεμελιώδη γλώσσα του Σύμπαντος – για να ξεπεράσουν τα όρια της κλασικής πληροφορικής.

Όλα αυτά ακούγονται πολύ εξωτικά, γι’ αυτό ας δούμε ορισμένες βασικές κβαντικές έννοιες όπως τις παρουσιάζει η ομάδα Quantum AI της Google!

Κβαντική πληροφορική

Η κβαντική πληροφορική είναι ένα εντελώς νέο στυλ πληροφορικής. Οι περισσότεροι άνθρωποι είναι εξοικειωμένοι με την κλασική πληροφορική: τα δυαδικά ψηφία (ή «bits») που μπορούν να είναι είτε 1 είτε 0, τα οποία τροφοδοτούν τα πάντα, από αριθμομηχανές γραφικών παραστάσεων έως τεράστια κέντρα δεδομένων, και αποτελούν τη βάση σχεδόν όλων των ψηφιακών καινοτομιών του τελευταίου μισού αιώνα. Η κβαντική πληροφορική είναι διαφορετική. Αντί να χρησιμοποιούν κλασικά bits, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά bits ή «qubits».

Qubits: τα δομικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών

Τα Qubits συμπεριφέρονται σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής φυσικής. Αντί να περιορίζονται στο «είτε/ή» των δυαδικών 1 και 0, μπορούν να υπάρχουν ως ένα μείγμα και των δύο. Τα qubits μπορούν να αποθηκεύουν πληροφορίες σε υπέρθεση (πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα) του 0 και του 1. Μπορούν επίσης να περιπλέκονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν ακόμη πιο πολύπλοκους συνδυασμούς – π.χ., δύο qubits μπορούν να βρίσκονται σε ένα μείγμα 00, 01, 10 και 11. Όταν μπλέκεις πολλά qubits μαζί, ανοίγεις έναν τεράστιο αριθμό καταστάσεων στις οποίες μπορούν να βρίσκονται, γεγονός που σου δίνει μεγάλη υπολογιστική ισχύ. Αυτές οι δύο ειδικές ιδιότητες παρέχουν στους κβαντικούς υπολογιστές την υπερδύναμη να επιλύουν μερικά από τα πιο δύσκολα προβλήματα πολύ, πολύ πιο γρήγορα από ό,τι οι κανονικοί, κλασικοί υπολογιστές.

Υλοποίηση: πώς η ομάδα Quantum AI κατασκευάζει επεξεργαστές για qubits

Σε αντίθεση με τους επεξεργαστές των κλασικών υπολογιστών – τα οποία παράγονται από μια τεράστια και καθιερωμένη βιομηχανία – τα κβαντικά είναι ένα τόσο νέο στυλ υπολογισμού που η Google κατασκευάζει τα δικά της qubits εσωτερικά με υπεραγώγιμα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Με την κατασκευή προτύπων από υπεραγώγιμα μέταλλα με έναν νέο τρόπο, σχηματίζουν κυκλώματα με χωρητικότητα (την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας σε ηλεκτρικά πεδία) και επαγωγή (την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας σε μαγνητικά πεδία), μαζί με ειδικά μη γραμμικά στοιχεία που ονομάζονται επαφές Josephson. Επιλέγοντας προσεκτικά τα υλικά και ρυθμίζοντας τις διαδικασίες κατασκευής, είναι σε θέση να κατασκευάζει επεξεργαστές με υψηλής ποιότητας qubits που μπορούν να ελεγχθούν και να ενσωματωθούν σε μεγάλες, πολύπλοκες συσκευές.

Θόρυβος: Κατασκευή συσκευασιών για την προστασία των κβαντικών υπολογιστών από διαταραχές

Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορεί να είναι και «πριμαντόνες». Έχουν την ικανότητα να επιλύουν προβλήματα που θα ήταν αδύνατο να λυθούν σε κλασικούς υπολογιστές, αλλά είναι επίσης πολύ ευαίσθητοι σε σφάλματα από «θόρυβο» ή διαταραχές όπως ραδιοκύματα, ηλεκτρομαγνητικά πεδία και θερμότητα (ακόμη και κοσμικές ακτίνες!). Έτσι για την προστασία της ακεραιότητας των διαδικασιών κβαντικής πληροφορικής, η ομάδα Quantum AI κατασκευάζει ειδική συσκευασία για τη μείωση του θορύβου. Τοποθετούν τα qubits σε αυτή την ειδική συσκευασία για να τα συνδέσουν με τον εξωτερικό κόσμο, ενώ παράλληλα τα θωρακίζουν όσο το δυνατόν περισσότερο από τις εξωτερικές διαταραχές. Η επίτευξη αυτού του στόχου απαιτεί εκτεταμένη και εξαιρετικά πολύπλοκη μηχανική και ηλεκτρομαγνητική μηχανική εργασία, καθώς και εστίαση σε λεπτομέρειες όπως η επιλογή των κατάλληλων υλικών ή η απόφαση για τις συγκεκριμένες θέσεις τοποθέτησης οπών για τα κυκλώματα.

Καλωδίωση: Δημιουργία μονοπατιών για τον έλεγχο ενός κβαντικού υπολογιστή

Ο έλεγχος ενός κβαντικού υπολογιστή απαιτεί την αποστολή σημάτων μέσα από περιβάλλοντα με θερμοκρασίες ακραίων διακυμάνσεων. Η Google ελέγχει τα qubits με σήματα μικροκυμάτων, τα οποία διαβιβάζονται μέσω ειδικών καλωδίων από τη θερμοκρασία δωματίου μέχρι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτά τα καλώδια επιλέγονται για να διασφαλιστεί ότι θα μπορούν να παραδίδονται τα σήματα με τον πιο αποτελεσματικό και ακριβή τρόπο. Η προσθήκη στοιχείων όπως το φιλτράρισμα στη μέση αυτών των καλωδίων προστατεύει περαιτέρω τα qubits από το να επηρεάζονται από εξωτερικό θόρυβο.

Ψυγείο αραίωσης: Ένα από τα πιο κρύα μέρη του Σύμπαντος

Η λειτουργία των υπεραγώγιμων qubits απαιτεί να τα διατηρούν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες που είναι ψυχρότερες από το Διάστημα. Για την επίτευξη αυτών των εξαιρετικά ψυχρών και σκοτεινών συνθηκών απαιτείται ένας ειδικός εξοπλισμός που ονομάζεται ψυγείο αραίωσης. Διατηρώντας τα qubits μέσα στο ψυγείο αραίωσης, τα υπεραγώγιμα μέταλλα μπορούν να εισέλθουν στην κατάσταση μηδενικής αντίστασης – μια ψυχρή κατάσταση όπου ο ηλεκτρισμός μπορεί να ρέει χωρίς απώλεια ενέργειας – και μπορούν να μειώσουν ανεπιθύμητα πράγματα όπως ο θερμικός θόρυβος. Με αυτόν τον τρόπο, τα υπεραγώγιμα qubits μπορούν να διατηρήσουν τις κβαντικές τους ιδιότητες και να εκτελέσουν πολύπλοκους υπολογισμούς για κβαντικούς υπολογισμούς.