Πρώτη εφαρμογή σ' έναν κβαντικό υπολογιστή της IBM

Από σελίδα του MSNBC 19 Δεκεμβρίου 2001

Πείραμα δείχνει τη μέθοδο με την οποία θα μπορούσε να ξεκλειδωθεί ένας βασικός γρίφος στο σύστημα της κρυπτογραφίας. Για πρώτη φορά, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων μορίων, κατασκευασθέντων επί παραγγελία, σαν κβαντικό υπολογιστή, για να λύσουν ένα μαθηματικό πρόβλημα, που θα έχει μεγάλες επιπτώσεις στο μέλλον για την ασφάλεια των προσωπικών στοιχείων και του ηλεκτρονικού εμπορίου.

Ο ερευνητής Isaac Chuang γεμίζει ένα φιαλίδιο που περιέχει τα μόρια των επτά qubit, στην κορυφή μιας συσκευής πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (ΝΜΡ).

Οι  συσκευές ΚΒΑΝΤΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ, όπως αυτές που χρησιμοποιούνται από τους ερευνητές της ΙΒΜ και του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ, λειτουργούν με απολύτως διαφορετικές αρχές από τους κλασσικούς υπολογιστές.

Αντί να στηρίζονται στα δυαδικά ψηφία των πληροφοριών 1 και 0 -- on και off  -- λειτουργούν στο συγκεχυμένο, γκρίζο κόσμο των υποατομικών σωματιδίων, όπου ένα κβαντικό δυαδικό ψηφίο μπορεί να θεωρηθεί ότι αντιπροσωπεύει το 1 και το 0 συγχρόνως.

Ο υπολογιστής αυτός εκμεταλλεύεται, κατά κύριο λόγο, την ιδιότητα της υπέρθεσης καταστάσεων που έχουν τα στοιχειώδη σωματίδια. Αυτό σημαίνει ότι, υπό ορισμένες συνθήκες, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Όταν όμως γίνει μια μέτρηση ή παρατήρηση, αίρεται η 'ασάφεια'. Το ηλεκτρόνιο αποκτά μια συγκεκριμένη φυσική κατάσταση. Γι' αυτό, ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί θεωρητικά να κάνει πολλές πράξεις ταυτόχρονα.

Το πεδίο είναι κάτι περισσότερο από ακαδημαϊκό ενδιαφέρον: Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται να επιλύουν τύπους προβλημάτων, αρκετά περισσότερα από αυτά που έχουν σήμερα οι υπάρχουσες μηχανές υπολογισμού, όπως η αναζήτηση μέσω τεράστιων βάσεων δεδομένων -- αλλά ακόμη και το ξεκλείδωμα των κρυπτογραφικών κωδικών που χρησιμοποιούνται για να προστατεύσουν τα μυστικά μηνύματα και να εξασφαλίσουν τις συναλλαγές σε απευθείας σύνδεση. Αυτό είναι που κάνει το Πεντάγωνο, άλλες κυβερνητικές αντιπροσωπείες και εταιρίες όπως η ΙΒΜ, να ξοδεύουν δεκάδες εκατομμυρίων δολαρίων πάνω στην έρευνα των  κβαντικών υπολογιστών.

Το 15 αναλύεται ως γινόμενο πρώτων παραγόντων του 3 και 5

Το 1994, ο μαθηματικός Peter Shor των εργαστηρίων της Bell, έδειξε ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να αναλύσουν έναν μεγάλο αριθμό ως γινόμενο πρώτων μικροτέρων παραγόντων του, γρηγορότερα από τους κλασσικούς υπολογιστές. Αυτό που συμβαίνει στην ουσία, είναι το ίδιο τέχνασμα που χρησιμοποιείται από τις σημερινές πιό προηγμένες μεθόδους κρυπτογράφησης για να κρύψουν τις πληροφορίες -- και κατά συνέπεια, ο "αλγόριθμος Shor" έγινε η κατευθυντήρια δύναμη πίσω από την ανάπτυξη των κβαντικών τεχνικών υπολογιστών.

Αντί της συμβατικής ηλεκτρονικής, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν ιδιότητες όπως η μαγνητική ιδιοπεριστροφή, spin, των ατομικών πυρήνων για να αντιπροσωπεύσουν τα κβαντικά δυαδικά ψηφία, ή όπως λέγονται "qubits." Αλλά είναι διαβολικά δύσκολο να συνδεθούν αρκετά qubits για να κάνουν σημαντική εργασία. Το ρεκόρ -- που αρχικά έγινε από τους ερευνητές στο Los Alamos και τώρα ισοφαρίστηκε από την ομάδα των ΙΒΜ-Στάνφορντ -- είναι επτά qubits.

Επτά qubits είναι αρκετά, μόλις για να υπολογίσουν την απλούστερη μορφή του αλγορίθμου Shor, και η ομάδα ΙΒΜ-Στάνφορντ περιγράφει πώς το έκαναν στην έκδοση της Πέμπτης στο περιοδικό Nature.

ΠΕΝΤΕ ΦΟΡΕΣ ΤΟ ΤΡΙΑ ΕΙΝΑΙ ΙΣΟ ΜΕ...

Ο πρώτος υπολογισμός δεν είναι βέβαια κάτι σπουδαίο: Βασικά υπολόγισε ότι το 15 διαιρείται από τους πρώτους αριθμούς 5 και 3. Αλλά είναι όμως ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός, είπε ο Nabil Amer, ο οποίος διαχειρίζεται την έρευνα στον κβαντικό υπολογισμό, στο ερευνητικό κέντρο Almaden της ΙΒΜ στο San Jose της Καλιφόρνιας.

"Αυτό μοιάζει ακριβώς με την πρώτη πτήση των αδελφών Wright," είπε ο Amer.   "Δεν πήγε πάρα πολύ μακριά, δεν πήγε πάρα πολύ υψηλά, αλλά εν τούτοις απέδειξε ότι μπορούσε να πετάξει."

Το αποτέλεσμα αυτό χαρακτηρίστηκε σαν επίτευγμα επειδή για τη διεξαγωγή του υπολογισμού αυτού απαιτείται πολύ μεγάλος βαθμός ελέγχου της λειτουργίας των στοιχειωδών σωματιδίων.

Οι επιστήμονες εξηγούν ότι οι ταχύτεροι υπερυπολογιστές σήμερα μπορούν να παραγοντοποιήσουν έναν αριθμό μήκους 130 ψηφίων σε έναν περίπου μήνα. Δεν μπορούν όμως να κάνουν το ίδιο για αριθμούς με 200 ψηφία. Σε αντιδιαστολή, οι κβαντικοί υπολογιστές θεωρητικά το κατορθώνουν αλλά για κάτι τέτοιο θα απαιτούνταν χιλιάδες κβαντικά bit ή μόρια.

Για να κάνουν τον υπολογισμό των επτά-qubit, οι ερευνητές της IBM δημιούργησαν ένα νέο είδος μορίου με επτά πυρηνικές ιδιοπεριστροφές(spin) --τους πυρήνες των πέντε ατόμων του φθορίου και των δύο ατόμων του άνθρακα-- που μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους σαν qubits, προγραμματίζοντας τους από παλμούς ραδιοσυχνότητας.

Κατ' εκτίμηση είχαν παραχθεί 1 quintillion από αυτά τα μόρια  -- 1 quintillion=10¹⁸ - μέσα σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα.

Τα αποτελέσματα του υπολογισμού μπορούν να διαβαστούν από όργανα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, παρόμοια με εκείνα που βρίσκονται στα νοσοκομεία, για να βγάζουμε μαγνητικές τομογραφίες, μια τεχνολογία γνωστή σαν NMR.
Η ανάγνωση των αποτελεσμάτων είναι ιδιαίτερα δυσνόητη λόγω ενός προβλήματος που αποκαλείται decoherence (η μετάβαση από το κβάντο στην κλασσική συμπεριφορά): Οποιαδήποτε εξωτερική αλληλεπίδραση μπορεί να καταστρέψει τις κβαντικές πληροφορίες.

"Οι εμπειρίες από το NMR, μας έκαναν να αναπτύξουμε εργαλεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικούς τύπους κβαντικών υπολογιστών" είπε ο Isaac Chuang, ο ηγέτης της ερευνητικής ομάδας, ο οποίος είναι τώρα συνεργαζόμενος καθηγητής στο Τεχνολογικό Ιδρυμα της Μασαχουσέτης.

"Το σημαντικότερο από αυτό ήταν ένας τρόπος να μιμηθούμε και να προβλέψουμε την υποβάθμιση των σημάτων που προκλήθηκαν από τα σφάλματα των απρόβλεπτων κβαντικών διακυμάνσεων (decoherence). Αυτό το εργαλείο μας επέτρεψε, να ελαχιστοποιήσουμε αυτά τα σφάλματα στο πείραμα των επτά qubits", συνέχισε ο Chuang.

"Ήμαστε σε θέση να διαμορφώσουμε αυτήν την διαδικασία μετάβασης από το κβάντο στην κλασσική συμπεριφορά --decoherence, να προβλέψουμε ακριβώς που αυτή θα εμφανιστεί, και χρησιμοποιούμε αυτή για να βελτιστοποιήσουμε τα κβαντικά κυκλώματά μας, έτσι θα μπορούσαμε να ελαχιστοποιήσουμε τα σφάλματα," εξηγεί ο Isaac Chuang.

"Μπορείτε να σκεφτείτε ότι αυτό το εργαλείο που αναπτύξαμε, ότι είναι σαν την αρχή ενός κβαντικού εργαλείου CAD (σχεδιασμός με την βοήθεια υπολογιστή)," είπε ο Chuang.

Από τώρα και στο εξής, ο στόχος είναι να ενισχυθεί ο αριθμός των συνδεμένων qubits έτσι ώστε ένας μελλοντικός κβαντικός υπολογιστής να μπορεί πραγματικά να κάνει τους τύπους εργασιών που οι συμβατικοί υπολογιστές δεν μπορούν.

Δυστυχώς, η τεχνική NMR ωθείται κοντά στο θεωρητικό όριό της: Οι ερευνητές θεωρούν ότι η τεχνολογία δεν μπορεί να ανεβεί πάνω από 10 έως 20 qubits, και ο Amer λέει ότι θα έπαιρνε εκατοντάδες qubits για να βάλει ένα σύστημα κβαντικού-υπολογισμού σε μια δοκιμή-πρόκληση.

"Έχουμε κάνει όλα αυτά που θελήσαμε να κάνουμε με το NMR, και τώρα είναι καιρός να προχωρήσουμε," είπε. Αυτό σημαίνει πως ό,τι μάθαμε μέχρι τώρα στη τεχνολογία της στερεάς κατάστασης  -- ίσως περιλαμβάνει και εξωτικές τεχνολογίες όπως τα συστήματα συμπυκνωμένης ύλης και οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας , ή ακόμα και τους καλούς παλαιούς ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο.

"Έχουμε, διάφορους, πιθανούς δρόμους να επιλέξουμε", λέει ο Amer. "Αυτοί όλοι σε αυτή τη χρονική στιγμή, κατά την άποψη μου, φαίνονται λίγο πολύ, εξίσου ελπιδοφόροι. Αυτός που θα κερδίσει θα είναι αυτός που θα συνδυάζει την πρακτικότητα και την οικονομία."

ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ

Εκτός από το φιλόδοξο πειραματικό πρόγραμμά του, το τμήμα IBM Research, είναι διάσημο επίσης για τις πολλές θεωρητικές συνεισφορές του στο αναδυόμενο πεδίο των κβαντικών πληροφοριών. Οι επιστήμονες της ΙΒΜ καινοτόμησαν στο κβαντικό σύστημα της κρυπτογραφίας, τις κβαντικές επικοινωνίες (συμπεριλαμβανομένης και της έννοιας της κβαντικής τηλεμεταφοράς) και τις αποδοτικές μεθόδους διόρθωσης των σφαλμάτων. Ο David DiVincenzo, μέλος του ερευνητικού προσωπικού στο εργαστήριο Watson της ΙΒΜ, έχει δώσει τα πέντε κριτήρια που είναι απαραίτητα για έναν πρακτικό κβαντικό υπολογιστή:

1. ένα εξελικτικό φυσικό σύστημα με καλά χαρακτηρισμένα qubits
2. η δυνατότητα να αρχικοποιηθεί η κατάσταση qubit
3. Οι χρόνοι decoherence πρέπει να είναι πολύ πιό μεγάλοι από τον κβαντικό χρόνο λειτουργίας των πυλών
4. ένα καθολικό σύνολο κβαντικών πυλών και
5. η δυνατότητα να μετρηθούν καθορισμένα qubits