Αναζήτηση αυτού του ιστολογίου

.::Αφιέρωμα: Κβαντικός Υπολογιστής (Quantum Computing) (videos)




Τα «Αφιερώματα» επιστρέφουν στο TechNews! Μετά από δυο μήνες χωρίς αφιέρωμα το TechNews, σας παρουσιάζει, όπως σας είχαμε υποσχεθεί, ένα αφιέρωμα, όχι για κάποια ιστορική προσωπικότητα της Επιστήμης όπως είχαμε συνηθίσει, αλλά για μια τεχνολογία που εδώ και πάνω από τρεις δεκαετίες ερευνάται και βρίσκεται υπό μελέτη στα μεγαλύτερα εργαστήρια του Κόσμου. Την τεχνολογία του Κβαντικού Υπολογιστή ή Quantum Computing.


Στις αρχές του 1980 οι Benioff και Feynman παρουσίασαν την πρώτη ιδέα κβαντικού υπολογιστή. Όπως λοιπόν η Κβαντομηχανική είναι το μέλλον της Φυσικής, έτσι και οι κβαντικοί υπολογιστές είναι το μέλλον της Επιστήμης των Υπολογιστών. Έτσι, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι, σύμφωνα με τους επιστήμονες, η λύση για την επίτευξη της επεξεργασίας μεγάλου όγκου δεδομένων σε ελάχιστο χρόνο, αφού θα προσφέρουν μεγάλες ταχύτητες πολυ – επεξεργασίας. Οι υπολογιστές αυτοί στηρίζουν τη λειτουργία τους στα κβάντα (άτομα, ιόντα ή μόρια). Δεν υπάρχει φυσικός νόμος που να «απαγορεύει» τη σμίκρυνση των bits στο μέγεθος ενός ατόμου (δηλαδή τα γνωστά Qu-bits).


Τι είναι κβαντικός υπολογιστής;
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ένα σχετικά νέο μελλοντικό είδος υπολογιστών των οποίων η λειτουργία βασίζεται σε κβαντομηχανικά φαινόμενα όπως η υπέρθεση κατάστασης των ηλεκτρονίων, των μορίων ή των ιόντων κάτι που επιτυγχάνεται με διάφορα σιδηρομαγνητικά υλικά.


Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν μεταξύ άλλων να ερευνήσουν με πρωτοφανή ταχύτητα τεράστιες και αδόμητες βάσεις δεδομένων, να σπάσουν κάθε γνωστό κρυπτογραφικό κώδικα, να προσομοιώσουν πολύπλοκες διεργασίες και φαινόμενα, και να επιλύσουν προβλήματα τα οποία είναι πρακτικά αδύνατον να λυθούν από τους σημερινούς υπολογιστές, που ονομάζονται πλέον «συμβατικοί υπολογιστές».


Γιατί να αντικατασταθούν οι σημερινοί υπολογιστές;
Κατασκευαστικά όρια: Οι σημερινοί (συμβατικοί) υπολογιστές είναι βασισμένοι στο πυρίτιο το οποίο σε μια 20ετία (ίσως και πολύ λιγότερο) θα συναντήσει τα κατασκευαστικά του όρια με αποτέλεσμα την αδυναμία του σε περαιτέρω σμίκρυνση του.


Κρυπτογραφία: Η ανάγκη για παγκόσμια διαδικτυακή κρυπτογραφία είναι τόσο μεγάλη στις μέρες μας που ο σημερινός υπολογιστής δεν μπορεί πλέον να ανταποκριθεί πλήρως, κυρίως στον τομέα απόρρητων προσωπικών ή πολιτικών – διπλωματικών στοιχείων καθώς και στον τομέα του ηλεκτρονικού εμπορίου.


Αδυναμία ισχύος επεξεργασίας: Ο σημερινός υπολογιστής (όσο και αν αυτό ξαφνιάζει πολλούς) αδυνατεί να λύσει διάφορα πολύπλοκα και πολυπαραμετρικά μαθηματικά και όχι μόνο προβλήματα ή στην καλύτερη περίπτωση χρειάζεται πολύ χρόνο, αγαθό που σήμερα είναι κάτι παραπάνω από πολύτιμο.


Λειτουργία
Η λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών βασίζεται στα υποατομικά σωματίδια τα οποία λέγονται κβαντομπιτς (Qubits) τα οποία αντικαθιστούν τα «κλασικά» bits, τα δυαδικά, δηλαδή, ψηφία 1 και 0 (on-off). Μάλιστα ένα qubit μπορεί να θεωρηθεί ότι φέρει και τα δύο ψηφία ταυτόχρονα! (κβαντικός παραλληλισμός – δύο και περισσότερες ενέργειες συγχρόνως)


Η μνήμη των κβαντικών υπολογιστών ονομάζεται μαγνητική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (MRAM) και θα αντικαταστήσει τις γνωστές RAM. Με τις MRAM επιτυγχάνεται η υπέρθεση κατάστασης των μικροσωματίων με την εφαρμογή των μαγνητικών επιδράσεων πάνω στην ιδιοπεριστροφή των σωματίων αυτών.


Είδη χρησιμοποιούνται κβαντικοί υπολογιστές σε πειραματικό βέβαια ακόμη στάδιο από την εταιρεία IBM και από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και χρηματοδοτείται μεταξύ άλλων από το Πεντάγωνο, την CIA και πολλές κυβερνητικές και άλλες οργανώσεις.


Δυνατότητες
1. Λύση πολλών προβλημάτων ταυτόχρονα (λόγω της υπέρθεσης κατάστασης) των οποίων η πολυπλοκότητα θα αυξάνεται μάλιστα εκθετικά και όχι γραμμικά όσο αυξάνεται και η πολυπλοκότητα ενός προβλήματος
2. Ως qubit μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ηλεκτρόνιο - φωτόνιο, ένα ιόν ή ένα μόριο με αποτέλεσμα πολλές αποτελεσματικές επιλογές
3. Με την χρήση δύο qubits μπορούμε να έχουμε το 0 και το 1 ταυτόχρονα σε όλους τους τους συνδυασμούς σε αντίθεση με τα σημερινά bits τα οποία ναι μεν μπορούν να κάνουν όλους τους συνδυασμούς αλλά όχι ταυτόχρονα.


Ο πίνακας που ακολουθεί είναι αρκετά διαφωτιστικός και συγχρόνως εντυπωσιακός:




Πλεονεκτήματα
  • Μεγαλύτερη ταχύτητα
  • Τεράστια μνήμη
  • Απεριόριστη ισχύς
  • Λύση πολλών σύνθετων προβλημάτων ταυτόχρονα



Μειονεκτήματα
  • Δεν μπορούν να κάνουν όλα όσα κάνει ο σημερινός υπολογιστής (π.χ. επεξεργασία κειμένου ή web surfing). Είναι «εξειδικευμένοι» στην πολυεπεξεργασία δεδομένων
  • Έλλειψη κατάλληλων ανθεκτικών υλικών για την υλοποίηση της ιδέας του κβαντικού υπολογιστή. Τα μέχρι σήμερα υλικά δεν μπορούν να αντέξουν τις τεράστιες θερμοκρασίες που αναπτύσσονται λόγω των τεράστιων ταχυτήτων μεταφοράς δεδομένων, που συνεπάγεται μεγάλη εσωτερική «τριβή» των υλικών.
  • Λόγω της μεγάλης αλληλεπίδρασης των qubits με το περιβάλλον είναι δύσκολο να απομονωθούν αυτά τα υλικά και επομένως να είναι λειτουργικά καθώς η αλληλεπίδραση των qubits με το περιβάλλον οδηγεί στην κατάρρευση της υπέρθεσης των καταστάσεων που περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση (την εξίσωση του  Schrödinger).



Εφαρμογές
  • Ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής 2 qubits παρουσιάστηκε το 1998 από την IBM
  • Το 1999 και πάλι η IBM παρουσίασε έναν κβαντικό υπολογιστή τριών κβαντικών bits με error correction
  • Την επόμενη χρονιά η ίδια εταιρία κατασκεύασε έναν κβαντικό υπολογιστή αποτελούμενο από 5 qubits.
  • Ο τελευταίος υπολογιστής διαθέτει 7 qubits και οι κατασκευαστές του εμφανίζονται ιδιαίτερα αισιόδοξοι για το μέλλον

Προς το παρόν, πάντως, η κατασκευή ενός τέτοιου υπολογιστή με αυτές τις δυνατότητες και βασισμένο εξ ολοκλήρου στις κβαντικές ιδιότητες διαφόρων σωματιδίων, φαντάζει εξαιρετικά δύσκολη. Το πιθανότερο είναι να χρησιμοποιηθούν υβριδικά συστήματα κλασικών και κβαντικών υπολογιστών στο μέλλον.


Videos:


Ομάδα Έρευνας IBM



This Week In Engineering (TWIE) 2011



Πηγή: Πέτρος Ν. Παπαναούμ, "Κβαντικοί Υπολογιστές" (προπτυχιακή εργασία, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Παν. Δυτ. Μακεδονίας), 2006


technolnews.blogspot.com




.::TechNews... the e-magazine::.
Γίνε μέλος στο Facebook Group του TechNews ή ακολούθησε το TechNews στο Twitter για άμεση ενημέρωση!!!