Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής; Η ερώτηση μοιάζει απλή. Είναι ένας υπολογιστής που χρησιμοποιεί κβαντικά φαινόμενα για να εκτελεί υπολογισμούς – ή τουλάχιστον αυτό έλεγα επί χρόνια σε φίλους και γνωστούς. Επειδή γράφω σχεδόν διαρκώς για τις τελευταίες εξελίξεις στην κβαντική υπολογιστική, ένιωθα βέβαιος για αυτή την απάντηση. Πρόσφατα, όμως, χρειάστηκε να την ξανασκεφτώ. Ένα πιο σύνθετο ερώτημα δείχνει γιατί: παρότι μπορώ να αναφέρω πολλά διαφορετικά στοιχεία και λειτουργίες ενός κβαντικού υπολογιστή, μπορώ να προσδιορίσω ακριβώς πότε όλα αυτά συνθέτουν έναν κβαντικό υπολογιστή; Μια πρόσφατη φιλοσοφική μελέτη υποστηρίζει ότι εκεί βρίσκεται η ρίζα της δυσκολίας στην πρόβλεψη του μέλλοντος της κβαντικής υπολογιστικής.
Οι κβαντικοί υπολογιστές αρχίζουν να γίνονται χρήσιμα επιστημονικά εργαλεία
Για τον Christophe Jurczak, της επενδυτικής εταιρείας Quantonation, όλα ξεκίνησαν σε ένα συνέδριο που δεν είχε καμία σχέση με την κβαντική υπολογιστική. Ερευνητές συζητούσαν μια άλλη αναδυόμενη τεχνολογία και ο Jurczak συνειδητοποίησε ότι είχε ακούσει γι’ αυτήν πριν από 30 χρόνια. Τότε, όλοι έλεγαν ότι ήταν μόλις «πέντε χρόνια μακριά». Déjà vu. Τότε γεννήθηκε μια ανησυχία: μήπως και οι κβαντικοί υπολογιστές είναι μια τέτοια «τεχνολογία των διαρκών πέντε ετών» (perpetual five-year technology, PFYT); Αυτό τον οδήγησε σε μια εις βάθος μελέτη, διάρκειας ενός έτους, της φιλοσοφικής βιβλιογραφίας. Η μελέτη που διάβασα ήταν το αποτέλεσμα αυτής της δουλειάς.
Σε αυτήν υποστηρίζει ότι, αυτή τη στιγμή, οι κβαντικοί υπολογιστές ανήκουν ξεκάθαρα στην κατηγορία PFYT. Όλες οι προσπάθειες να προβλεφθεί πότε θα φτάσουν πραγματικά είναι παραπλανητικές, όσο προϋποθέτουν ότι ήδη ξέρουμε τι είναι οι κβαντικοί υπολογιστές, γράφει. «Αν η ταυτότητα ενός κβαντικού υπολογιστή εξακολουθεί να διαμορφώνεται καθώς η μηχανή εξελίσσεται, τότε αυτή η παραδοχή καταρρέει».
Ως άνθρωπος που ασχολείται πολύ με την κβαντική υπολογιστική, θέλησα να καταλάβω τι ακριβώς οδήγησε τον Jurczak σε αυτό το κάπως ανησυχητικό συμπέρασμα. Στα σχεδόν πέντε χρόνια που γράφω για κβαντικούς υπολογιστές στο New Scientist, η πρόοδος είναι πράγματι μετρήσιμη. Αρκετές εταιρείες παρουσίασαν οδικούς χάρτες για το μέλλον των συστημάτων τους, με στόχους για το συνολικό μέγεθος και την απόδοση ορισμένων βασικών εξαρτημάτων, και στη συνέχεια τους πέτυχαν.
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι επίσης πολύ πιο κοντά στο να γίνουν χρήσιμες συσκευές από ό,τι ήταν μόλις πριν από λίγα χρόνια. Βέβαια, δεν έχουν αλλάξει ακόμη τον κόσμο βοηθώντας στην ανακάλυψη ενός επαναστατικού φαρμάκου ή σε έναν νέο σχεδιασμό μπαταρίας, αλλά μπορεί κανείς να αποκτήσει πρόσβαση σε έναν κβαντικό υπολογιστή μέσω cloud και να τον χρησιμοποιήσει ως επιστημονικό εργαλείο, αν είναι χημικός ή επιστήμονας υλικών.
Ο Jurczak δεν το αμφισβητεί. Μου είπε μάλιστα ότι πρόσφατα έκανε από απόσταση ένα πείραμα σε έναν κβαντικό υπολογιστή από εξαιρετικά ψυχρά άτομα, ο οποίος βρισκόταν σε εργαστήριο στον Καναδά, ενώ εκείνος ήταν στον καναπέ του στο Τέξας. Αυτό, όμως, δεν σημαίνει ότι το ερώτημα της κβαντικής υπολογιστικής έχει λυθεί, λέει. Ένας τρόπος να το δει κανείς είναι η ποικιλία των προσεγγίσεων για την κατασκευή κβαντικού υπολογιστή, αλλά και οι πολλοί δείκτες που έχουν σημασία για το πόσο καλά μπορεί να λειτουργήσει.
Τα βασικά συστατικά των κβαντικών υπολογιστών λέγονται qubits και μπορούν να κατασκευαστούν με πολλούς διαφορετικούς τρόπους, από εξαιρετικά ψυχρά άτομα έως μικροσκοπικά υπεραγώγιμα κυκλώματα ή σωματίδια φωτός. Υπάρχουν επίσης πολλά πράγματα που μπορεί να θέλει κανείς να μετρήσει σε έναν κβαντικό υπολογιστή: πόσα qubits έχει, πόσο καλά συνδέονται μεταξύ τους, πόσο αξιόπιστα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαφορετικά μέρη ενός υπολογισμού, πόσο γρήγορα μπορούν να ελέγχονται και άλλα. Το να βελτιώσεις ένα ή ακόμη και λίγα από αυτά τα μεγέθη συνήθως δεν σημαίνει ότι θα βελτιωθούν αυτόματα και όλα τα υπόλοιπα.
Έχοντας μιλήσει με πολλούς ερευνητές και στελέχη του χώρου, αναγνωρίζω πια ένα συγκεκριμένο μείγμα ενθουσιασμού και ανησυχίας στον τρόπο που μιλούν συχνά: γιορτάζουν το γεγονός ότι όλα τα επιμέρους στοιχεία μιας πραγματικά ισχυρής μηχανής έχουν αποδειχθεί ότι λειτουργούν από μόνα τους, ενώ προσπαθούν να κρατήσουν μακριά την αγωνία για το τι θα συμβεί όταν όλα μπουν μαζί.
Στην εργασία του, ο Jurczak, μαζί με την Brooke Abeles από το ENS Paris-Saclay στη Γαλλία, συνέλεξε δεδομένα για ορισμένους από αυτούς τους δείκτες σε όλο τον κλάδο και κατέληξε σε ένα σαφές μοτίβο: μόλις ξεπεραστεί ένα κατώφλι για έναν δείκτη, όπως το να εξασφαλιστεί ότι ένα μεμονωμένο qubit κάνει σφάλμα λιγότερο συχνά από μία φορά στις χίλιες, ο ορίζοντας των πέντε ετών δεν εξαφανίζεται. Αντίθετα, επανεκκινείται. Αυτό είναι συνέπεια του ότι ανακαλύπτουμε τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής την ώρα που τον κατασκευάζουμε.
Αυτό δεν ίσχυε καθόλου στην ανάπτυξη των συμβατικών υπολογιστών. Ο Jurczak λέει ότι μερικές φορές οι ερευνητές συνηθίζουν να συγκρίνουν τους σημερινούς κβαντικούς υπολογιστές με τον ENIAC, τον πρώτο προγραμματιζόμενο ηλεκτρονικό υπολογιστή γενικής χρήσης στον κόσμο, αλλά η κατασκευή αυτού του ψηφιακού κολοσσού, που καταλάμβανε ολόκληρο δωμάτιο, ήταν περισσότερο ένα πρόβλημα μηχανικής. «[Η κλασική υπολογιστική] ήταν ένα πολύ πιο ώριμο οικοσύστημα όταν ξεκίνησε», λέει ο Jurczak. Καθώς έψαχνε τη φιλοσοφική βιβλιογραφία, βρήκε μια ιδέα πιο σχετική με τους κβαντικούς υπολογιστές, από τον φιλόσοφο της τεχνολογίας Gilbert Simondon.
Η θεωρία του για την «τεχνική εξατομίκευση» λέει ότι μια μεταβαλλόμενη σύνθεση στοιχείων γίνεται ένα συνεκτικό «άτομο» μέσα από μια διαδικασία που περιλαμβάνει ολόκληρο το οικοσύστημα, δηλαδή τις υποδομές, τη γνώση και τις πρακτικές που ωριμάζουν μέσα από επαναληπτικά βήματα δοκιμής και σφάλματος. Μια συλλογή από qubits και τις συσκευές που τα ελέγχουν και τα στεγάζουν, για παράδειγμα, γίνεται κβαντικός υπολογιστής μόνο μέσα από αλληλένδετες εξελίξεις, όπως στα συστήματα λέιζερ και κρυογενικής, η δημιουργία ειδικών εργοστασίων για chips, η ανάπτυξη εξειδικευμένου εργατικού δυναμικού στην κβαντική τεχνολογία και η βασική έρευνα στην κβαντική φυσική και την επιστήμη των υπολογιστών. Στην πραγματικότητα, η λίστα συνεχίζεται· το οικοσύστημα είναι μεγάλο και περίπλοκο.
Καθώς μιλούσαμε, διαπίστωσα ότι με έπειθε όλο και περισσότερο η άποψη του Jurczak για όσα έχουν συμβεί στην κβαντική υπολογιστική. Το ότι δεν έχουμε ακόμη έναν πλήρως χρήσιμο κβαντικό υπολογιστή δεν είναι αποτυχία πρόβλεψης ούτε αποτυχία της αγοράς, αλλά αντανάκλαση του πόσο ριζοσπαστικό είναι το εγχείρημα να βάλουμε τους κατοίκους του κβαντικού κόσμου να δουλέψουν για υπολογιστικούς σκοπούς. Η τεχνολογία είναι ακόμη πολύ κοντά στην επιστημονική ανακάλυψη για να μπορεί να τιθασευτεί εύκολα, να κλιμακωθεί εύκολα ή να επιταχυνθεί εύκολα με τα συνήθη εργαλεία της οικονομίας. «Μην απογοητεύεστε», το διατυπώνει θετικά ο Jurczak, «είναι μια πολύ μη γραμμική διαδικασία, χρειάζεται χρόνο».
Αυτή την περίοδο, ο κλάδος της κβαντικής υπολογιστικής στοχεύει στην επίτευξη της «ανοχής σφαλμάτων» (fault tolerance), δηλαδή στην κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή τόσο ικανού να εντοπίζει και να διορθώνει τα δικά του σφάλματα, ώστε να μπορεί να εκτελεί αξιόπιστα υπολογισμούς πρωτοφανούς πολυπλοκότητας. Όταν επιτευχθεί αυτός ο στόχος –και πολλές εταιρείες προβλέπουν ότι θα το κάνουν μέχρι το τέλος της δεκαετίας– θα σημαίνει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν φτάσει; Θα ξέρουμε ποιος τύπος qubit κέρδισε την κούρσα της κβαντικής υπολογιστικής; Και ποιος θα είναι ο επόμενος σταθμός;
Αν και ο Jurczak λέει ότι το πλαίσιο του δεν είναι προβλεπτικό, αρχίζει να ξετυλίγει ορισμένα από αυτά τα ερωτήματα. Σχεδόν σίγουρα ο ορίζοντας θα μετακινηθεί ξανά και δεν θα έχουν εξατομικευτεί πλήρως όλα τα μηχανήματα. Λέει ότι τον ενθουσιάζει η πιθανότητα ενός πραγματικά ετερογενούς συστήματος κβαντικής υπολογιστικής – καμία συγκεκριμένη σχεδίαση qubit δεν θα επικρατήσει, απλώς, μέσα από τη δική της διαδικασία εξατομίκευσης, θα βρει τις εφαρμογές στις οποίες ταιριάζει καλύτερα. Το ερώτημα τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής δεν θα απαντηθεί από μία μόνο συσκευή. «Οι άνθρωποι που θα κατασκευάσουν και θα χρησιμοποιήσουν αυτά τα μηχανήματα πρέπει να έχουν πιο ανοιχτό μυαλό για το τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής ως τεχνική οντότητα, πώς συγκεκριμενοποιείται και πώς θα χρησιμοποιηθεί επίσης», λέει ο Jurczak.
Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα παραμείνουν για πάντα PFYTs, όμως εκείνος μιλά γι’ αυτούς σήμερα με ενθουσιασμό. Όταν λέει ότι ο ορίζοντας που μετακινείται διαρκώς είναι ένδειξη δυνατότητας, δεν μπορώ να μην το βρω πειστικό. Αλλά τι θα έπρεπε να κάνουν οι εταιρείες της κβαντικής υπολογιστικής με αυτή τη φιλοσοφική παρατήρηση, τον ρώτησα. Σίγουρα θα πρέπει να συνεχίσουν να δημοσιεύουν οδικούς χάρτες και να ανακοινώνουν τους στόχους τους. Είναι σημαντικό να υπάρχουν στρατηγικές για τα επόμενα πέντε χρόνια, παραδέχτηκε. «Όλοι το θέλουμε και χρειάζεται, αλλά να σκέφτεσαι και πιο πέρα, και να έχεις και λίγη φαντασία, αυτή θα ήταν η δική μου άποψη», λέει ο Jurczak.
Μπορούν τα βιντεοπαιχνίδια να μας βοηθήσουν να καταλάβουμε καλύτερα την κβαντική μηχανική;
Ένας τρόπος να συμβεί αυτό ίσως είναι η συνεργασία με ανθρώπους έξω από τη φυσική, ίσως ακόμη και με φιλοσόφους. Το οικοσύστημα για έναν κβαντικό υπολογιστή πρέπει να είναι διεπιστημονικό. Οι εταιρείες της τεχνητής νοημοσύνης ήδη προσλαμβάνουν όχι μόνο από τις φυσικές επιστήμες, αλλά και από τις ανθρωπιστικές, και το ίδιο θα πρέπει να συμβεί και με τις εταιρείες κβαντικής υπολογιστικής, λέει. Ο Jurczak πιστεύει ότι και οι ίδιοι οι agents της AI μπορεί να βοηθήσουν στην επιτάχυνση μέρους αυτής της διεπιστημονικής δουλειάς, καθώς δεν είναι εκπαιδευμένοι με τους εξειδικευμένους τρόπους με τους οποίους εκπαιδεύονται οι ανθρώπινοι ερευνητές. Ο ίδιος και αρκετοί ερευνητές στην εταιρεία κβαντικής υπολογιστικής Pasqal, την οποία συνίδρυσε, έχουν ήδη δοκιμάσει αρκετά παραδείγματα για το πώς τέτοιοι agents θα μπορούσαν να βοηθήσουν αρχάριους στην κβαντική υπολογιστική να εκτελούν υπολογισμούς σε πραγματικό κβαντικό υλικό. «Αν μου ζητήσετε σε πέντε χρόνια να σας πω τι θα ήταν πραγματικά αποτυχία, [θα έλεγα ότι] θα ήταν το να εξακολουθούμε να έχουμε αυτά τα σιλό», λέει.
Η δική μου εκπαίδευση στη φυσική ήταν σίγουρα κατακερματισμένη και ποτέ δεν μου ζητήθηκε να παρακολουθήσω μάθημα φιλοσοφίας ή ιστορίας της τεχνολογίας. Επειδή η δουλειά ενός δημοσιογράφου είναι να βλέπει και τη μεγάλη εικόνα και τη μακρά προοπτική, κατά καιρούς έχω νιώσει έντονα την έλλειψη αυτής της εκπαίδευσης. Ο τεράστιος όγκος της έρευνας στην κβαντική υπολογιστική είναι ταυτόχρονα εντυπωσιακός και αποπροσανατολιστικός, και η κατανόησή του απαιτεί ένα διαφορετικό σύνολο δεξιοτήτων από το να γνωρίζει κανείς απλώς τα μαθηματικά της κβαντικής θεωρίας και να έχει κάποια εξοικείωση με την επιστήμη των υλικών.
Για να είμαι δίκαιος, την επόμενη φορά που κάποιος θα με ρωτήσει τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής, σχεδόν σίγουρα δεν θα του απαντήσω ότι είναι μια τεχνική οντότητα σε μια διαρκώς εξελισσόμενη κατάσταση γίγνεσθαι. Για όποιον δεν προσπαθεί ενεργά να διαμορφώσει τον ταχέως αναπτυσσόμενο κλάδο της κβαντικής υπολογιστικής, αυτό δεν θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο. Την επόμενη όμως φορά που ένα άρθρο με μια στενή αλλά εντυπωσιακή πρόοδο περάσει από το γραφείο μου, θα το καταγράψω ως μέρος αυτής της εξέλιξης, θα μηδενίσω ξανά το προσωπικό μου ρολόι προσδοκιών και θα χαρώ λίγο περισσότερο που ο ορίζοντας της κβαντικής υπολογιστικής μόλις μετακινήθηκε.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
