Προς τους κβαντικούς υπερυπολογιστές

… διαμέσου της κβαντικής σύμπλεξης και τηλεμεταφοράς

 

Ερευνητές από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης παρουσίασαν την πρώτη περίπτωση κατανεμημένης (παράλληλης) κβαντικής επεξεργασίας. Χρησιμοποιώντας μια διασύνδεση φωτονικού δικτύου, συνέδεσαν επιτυχώς δύο ξεχωριστούς κβαντικούς επεξεργαστές για να σχηματίσουν έναν ενιαίο, πλήρως συνδεδεμένο κβαντικό υπολογιστή, ανοίγοντας το δρόμο για την αντιμετώπιση υπολογιστικών προκλήσεων που προηγουμένως ήταν απρόσιτες. Η εργασία τους δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature με τίτλο ‘Distributed quantum computing across an optical network link‘

Ποια είναι η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ κλασικού υπολογιστή και κβαντικού υπολογιστή;
Στους γνωστούς υπολογιστές η βασική μονάδα εγγραφής και επεξεργασίας της πληροφορίας στο δυαδικό σύστημα – με τα γνωστά ψηφία 0 και 1 για τα οποία χρησιμοποιείται ο όρος bit (binary digit) ή στην ελληνική σύντμηση δυφίο – είναι ένα κλασικό αντικείμενο, π.χ. μια μαγνητική ψηφίδα μνήμης.
Στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα εγγραφής είναι ένα κβαντικό σύστημα. Για παράδειγμα ένα άτομο υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση, όπου το μηδέν αντιπροσωπεύεται από την ηλεκτρονιακή κατάσταση με σπιν πάνω και το ένα από την κατάσταση με σπιν κάτω.
Η κατάσταση με σπιν πάνω συμβολίζεται με |0> και η κατάσταση με σπιν κάτω με |1˃. Όμως επειδή το άτομο είναι ένα κβαντικό σύστημα, εκτός από τις παραπάνω δυο καταστάσεις |0> και |1>, θα είναι επίσης μια πραγματοποιήσιμη κατάσταση και κάθε γραμμικός συνδυασμός της μορφής
|ψ> = α |0> + β |1> , όπου α²+ β²=1
Και εδώ βρίσκεται η πηγή της θεμελιώδους διαφοράς μεταξύ ενός κλασικού και ενός κβαντικού υπολογιστή. Ότι στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα μνήμης μπορεί να βρίσκεται όχι μόνο στις καταστάσεις 0 και 1 αλλά και σε κάθε δυνατή επαλληλία.
Έτσι στην περίπτωση των κβαντικών υπολογιστών μιλάμε για qubit (quantum bit) ή στην ελληνική απόδοση κβαντοδυφίο.

 Η ανακάλυψη αντιμετωπίζει το κβαντικό «πρόβλημα επεκτασιμότητας»: ένας κβαντικός υπολογιστής αρκετά ισχυρός ώστε να δημιουργήσει την διαφορά πρέπει να είναι ικανός να επεξεργαστεί εκατομμύρια qubits. Ωστόσο, η τοποθέτηση όλων αυτών των επεξεργαστών σε μία μόνο συσκευή θα απαιτούσε μια κατασκευή τεράστιου μεγέθους. Με τη νέα προσέγγιση, μικρές κβαντικές συσκευές συνδέονται μεταξύ τους, επιτρέποντας την κατανομή των υπολογισμών σε όλο το δίκτυο. Θεωρητικά, δεν υπάρχει όριο στον αριθμό των επεξεργαστών που θα μπορούσαν να υπάρχουν στο δίκτυο.  

 Η επεκτάσιμη αρχιτεκτονική βασίζεται σε μονάδες που η καθεμία περιέχει μόνο έναν μικρό αριθμό qubits από παγιδευμένα ιόντα. Συνδέονται μεταξύ τους με οπτικές ίνες και χρησιμοποιούν φως (φωτόνια) αντί ηλεκτρικών σημάτων για την μεταξύ τους μετάδοση δεδομένων. Αυτοί οι φωτονικοί σύνδεσμοι επιτρέπουν στα qubits από διαφορετικές μονάδες να συν-μπλέκονται^*, επιτρέποντας την εκτέλεση κβαντικής λογικής σε όλες τις μονάδες χρησιμοποιώντας κβαντική τηλεμεταφορά^** καταστάσεων (όχι σωματιδίων). 

Αν και η κβαντική τηλεμεταφορά καταστάσεων έχει επιτευχθεί στο παρελθόν, η εν λόγω μελέτη είναι η πρώτη επίδειξη της κβαντικής τηλεμεταφοράς λογικών πυλών (τα ελάχιστα συστατικά ενός αλγορίθμου) διαμέσου μιας σύνδεσης δικτύου. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό θα μπορούσε να θέσει τις βάσεις για ένα μελλοντικό «κβαντικό διαδίκτυο», όπου οι μακρινοί επεξεργαστές θα μπορούσαν να σχηματίσουν ένα εξαιρετικά ασφαλές δίκτυο για επικοινωνία και υπολογισμούς.

Ο επικεφαλής της μελέτης Dougal Main (Τμήμα Φυσικής) δήλωσε: «Προηγούμενες επιδείξεις κβαντικής τηλεμεταφοράς είχαν επικεντρωθεί στη μεταφορά κβαντικών καταστάσεων μεταξύ φυσικώς διαχωρισμένων συστημάτων. Στη μελέτη μας, χρησιμοποιούμε την κβαντική τηλεμεταφορά για να δημιουργήσουμε αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των απομακρυσμένων συστημάτων. Προσαρμόζοντας προσεκτικά αυτές τις αλληλεπιδράσεις, μπορούμε να εκτελέσουμε λογικές κβαντικές πύλες – τις θεμελιώδεις λειτουργίες του κβαντικού υπολογισμού – μεταξύ qubits που βρίσκονται σε ξεχωριστούς κβαντικούς υπολογιστές. Αυτή η ανακάλυψη μας δίνει τη δυνατότητα να ‘συνδέουμε’ αποτελεσματικά διαφορετικούς κβαντικούς επεξεργαστές προς έναν ενιαίο, πλήρως συνδεδεμένο κβαντικό υπολογιστή». 

Η ιδέα είναι παρόμοια με τον τρόπο λειτουργίας των κλασικών υπερυπολογιστών. Αυτοί συνίστανται από μικρότερους υπολογιστές που συνεργάζονται μεταξύ τους για να πολλαπλασιαστεί η υπολογιστική ισχύς τους. Αυτή η στρατηγική παρακάμπτει πολλά από τα μηχανικά εμπόδια που σχετίζονται με την τοποθέτηση ολοένα μεγαλύτερου αριθμού qubits σε έναν ενιαίο κβαντικό υπολογιστή, διατηρώντας παράλληλα τις ευαίσθητες κβαντικές ιδιότητες που απαιτούνται για ακριβείς και αποτελεσματικούς υπολογισμούς.   

Οι ερευνητές απέδειξαν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου εκτελώντας τον αλγόριθμο αναζήτησης του Grover. Αυτή η κβαντική μέθοδος αναζητά ένα συγκεκριμένο στοιχείο σε ένα μεγάλο, χωρίς δομή σύνολο δεδομένων πολύ πιο γρήγορα από ότι μπορεί ένας κανονικός υπολογιστής, χρησιμοποιώντας τα κβαντικά φαινόμενα της υπέρθεσης και της σύμπλεξης για να διερευνήσει παράλληλα πολλές πιθανότητες. Η επιτυχημένη εκτέλεσή του υπογραμμίζει το πως μια κατανεμημένη προσέγγιση μπορεί να επεκτείνει τις κβαντικές δυνατότητες πέρα ​​από τα όρια μιας μεμονωμένης διάταξης, θέτοντας την βάση για επεκτάσιμους, υψηλής απόδοσης κβαντικούς υπολογιστές – τόσο ισχυρούς ώστε να εκτελούν μέσα σε λίγες ώρες τους υπολογισμούς που οι σημερινοί υπερυπολογιστές ολοκληρώνουν σε πολλά χρόνια.  

(*) Τι είναι η κβαντική σύμπλεξη [quantum entanglement];
Είναι ένα κβαντικό φαινόμενο όπου δύο ή περισσότερα σωματίδια συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε η κατάσταση του ενός σωματιδίου να συνδέεται και να εξαρτάται από την κατάσταση του άλλου, ακόμα κι αν βρίσκονται σε πολύ μεγάλη απόσταση το ένα από το άλλο. Αν μετρήσουμε μια ιδιότητα του ενός από δύο «συν-πλεγμένα» μεταξύ τους σωματίδια, τότε γνωρίζουμε αμέσως και την αντίστοιχη ιδιότητα του άλλου. Το πιο εντυπωσιακό είναι ότι ακόμα κι αν τα δύο σωματίδια βρίσκονται σε τεράστια απόσταση μεταξύ τους, η μέτρηση του ενός επηρεάζει ακαριαία το άλλο. Το γεγονός αυτό φαίνεται να παραβιάζει το ανώτατο όριο της ταχύτητας του φωτός που επιβάλλει η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Όμως δεν το κάνει. Γιατί το φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ακαριαία διάδοση πληροφορίας. Το φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης χρησιμοποιείται στην ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών.

(**) Tι είναι η κβαντική τηλεμεταφορά;
Είναι ένα κβαντικό φαινόμενο που βασίζεται στο φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης. Στην απλούστερη περίπτωση το πρόβλημα της κβαντικής τηλεμεταφοράς τίθεται ως εξής: Μας δίνονται τρία qubits – για παράδειγμα, τα σωματίδια #1, #2 που σύμφωνα με την «παράδοση» θεωρούμε ότι ελέγχονται από την φυσικό Alice και το σωματίδιο #3 που ελέγχεται από τον φυσικό Bob. Τα σωματίδια θα μπορούσαν να έχουν ως μόνο βαθμό ελευθερίας τον προσανατολισμό του σπιν τους. Σπιν πάνω που συμβολίζεται με |0> και σπιν κάτω με το διάνυσμα |1>. Υποθέτουμε ότι το πρώτο qubit – δηλαδή το πρώτο σωματίδιο #1 που συνήθως ανήκει στην φυσικό Alice – βρίσκεται στην κατάσταση: α|0>+β|1>, και θέλουμε η κατάσταση αυτή να μεταφερθεί στο τρίτο σωματίδιο #3 (που ανήκει στον φυσικό Bob) χωρίς βέβαια την φυσική αντιμετάθεση των δυο σωματιδίων. Αυτό που θέλουμε είναι να μεταφερθεί η κατάσταση και όχι το σωματίδιο που την φέρει.
Το σωματίδιο δέκτης #3 δεν μας είναι καν προσβάσιμο. Είναι κλεισμένο «κάπου» και αν οι τεχνικές συνθήκες του «πειράματος» το επιτρέπουν μπορεί να θεωρηθεί επίσης πολύ απομακρυσμένο από τα άλλα δυο. Η επιδιωκόμενη μεταφορά θα πρέπει να επιτευχθεί μόνο με κβαντομηχανικούς χειρισμούς (μοναδιαίοι μετασχηματισμοί + μέτρηση) πάνω στα δυο πρώτα σωματίδια (#1 και #2) του συστήματος. Να επιτευχθεί δηλαδή μόνο με τηλεχειρισμούς, έτσι ώστε να είναι μια τηλεμεταφορά. Αυτό όμως απαιτεί μια καίρια αρχική συνθήκη. Το σωματίδιο #3 να έχει τεθεί εξαρχής, σε μια κατάσταση σύμπλεξης με το σωματίδιο #2, ώστε να υπάρχει καταρχήν η δυνατότητα να μπορεί να επηρεαστεί η κατάστασή του με τους τηλεχειρισμούς. Δηλαδή, με κβαντομηχανικές «δράσεις» πάνω στα σωματίδια #1 και #2 (περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ).

Πηγές:
1. First distributed quantum algorithm brings quantum supercomputers closer –https://www.ox.ac.uk/news/2025-02-06-first-distributed-quantum-algorithm-brings-quantum-supercomputers-closer
2. Στέφανος Τραχανάς, «Κβαντομηχανική ΙΙ», εκδόσεις ΠΕΚ – https://cup.gr/book/kvantomichaniki-ii/

ΠΗΓΗ: physicsgg on 14/02/2025