Επιστήμονες Εργάζονται για την Εισαγωγή Ιδιοτήτων Υπολογιστών Κουάντουμ σε Κλασικούς Υπολογιστές

Μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Λίνκοπινγκ έχει καταφέρει να δείξει πώς λειτουργεί ένας υπολογιστής κουάντουμ και μπόρεσαν να προσομοιώσουν τις ιδιότητες του σε einen κλασικό υπολογιστή.

«Τα αποτελέσματά μας πρέπει να είναι εξαιρετικά σημαντικά για την καθορισμό του πώς να κατασκευαστεί ένας υπολογιστής κουάντουμ», είπε ο καθηγητής Jan-Åke Larsson.

Η Σουηδία, η Ευρώπη και άλλα μέρη του κόσμου έχουν επενδύσει μεγάλα πόροι και εστιάζουν την έρευνα για τη δημιουργία υπερταχύων ισχυρών υπολογιστών κουάντουμ. Μέσα σε δέκα χρόνια, αναμένεται να κατασκευαστεί ένας Σουηδικός υπολογιστής κουάντουμ και η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει χαρακτηρίσει την τεχνολογία κουάντουμ ως ένα από τα основικά της έργα.

Σήμερα, έχουμε λίγα χρήσιμα αλγόριθμους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για υπολογιστές κουάντουμ. Παρόλα αυτά, αυτή η τεχνολογία θα είναι εξαιρετικά σημαντική στις προσομοιώσεις βιολογικών, χημικών και φυσικών συστημάτων. Πολλά από αυτά είναι πολύ σύνθετα για τους πιο ισχυρούς υπολογιστές που έχουμε σήμερα. Σε έναν υπολογιστή, ένα bit μπορεί να πάρει την τιμή του ενός ή του μηδενός, αλλά ένα bit κουάντουμ μπορεί να πάρει όλες τις τιμές μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι οι υπολογιστές κουάντουμ δεν χρειάζονται να εκτελέσουν τόσο πολλές λειτουργίες για κάθε υπολογισμό που γίνεται.

Ο καθηγητής Jan-Åke Larsson και ο διδακτορικός του φοιτητής Niklas Johansson, από το Τμήμα Ηλεκτρολογικής Μηχανικής, Πανεπιστήμιο Λίνκοπινγκ, έχουν κατανοήσει πολλά από τα λόγια για τα οποία ένας υπολογιστής κουάντουμ είναι πιο ισχυρός από einen κλασικό. Έχουν επίσης εξετάσει τι συμβαίνει μέσα σε einen υπολογιστή κουάντουμ.

Τα αποτελέσματα της έρευνας έχουν δημοσιευθεί στο επιστημονικό περιοδικό Entropy.

«Έχουμε δείξει ότι η основική διαφορά είναι ότι οι υπολογιστές κουάντουμ έχουν δύο βαθμοί ελευθερίας για κάθε bit. Με τη προσομοίωση ενός επιπλέον βαθμού ελευθερίας σε einen κλασικό υπολογιστή, podemos να εκτελέσουμε κάποιους από τους αλγόριθμους με την ίδια ταχύτητα που θα επιτύχαμε σε einen υπολογιστή κουάντουμ», λέει ο Jan-Åke Larsson.

Η ομάδα έχει δημιουργήσει ένα εργαλείο προσομοίωσης που ονομάζεται Quantum Simulation Logic, ή QSL. Επιτρέπει να προσομοιώσουν τη λειτουργία ενός υπολογιστή κουάντουμ σε einen κλασικό υπολογιστή. Το Quantum Simulation Logic έχει μια συγκεκριμένη ιδιότητα, και είναι η μόνη ιδιότητα, που ένας υπολογιστής κουάντουμ έχει και ένας κλασικός υπολογιστής δεν έχει. Αυτή είναι μια επιπλέον βαθμός ελευθερίας για κάθε bit που συμμετέχει στον υπολογισμό.

«Έτσι, κάθε bit έχει δύο βαθμοί ελευθερίας: μπορεί να συγκριθεί με ένα μηχανικό σύστημα στο οποίο κάθε μέρος έχει δύο βαθμοί ελευθερίας — θέση και ταχύτητα. Σε αυτή την περίπτωση, αντιμετωπίζουμε bits που φέρουν πληροφορίες για το αποτέλεσμα της συνάρτησης, και φάση bits — που φέρουν πληροφορίες για τη δομή της συνάρτησης», εξηγεί ο Jan-Åke Larsson.

Το εργαλείο QSL έχει χρησιμοποιηθεί από την ομάδα για να μελετήσουν κάποιους από τους αλγόριθμους κουάντουμ που είναι υπεύθυνοι για τη διαχείριση της δομής της συνάρτησης. Πολλοί από αυτούς τους αλγόριθμους είναι τόσο γρήγοροι στις προσομοιώσεις όσο θα ήταν σε einen υπολογιστή κουάντουμ.

«Το αποτέλεσμα δείχνει ότι η υψηλότερη ταχύτητα στους υπολογιστές κουάντουμ προέρχεται από την ικανότητά τους να αποθηκεύουν, να επεξεργάζονται και να ανακτούν πληροφορίες σε einen επιπλέον βαθμός ελευθερίας. Αυτό μας επιτρέπει να κατανοήσουμε καλύτερα πώς λειτουργούν οι υπολογιστές κουάντουμ. Επίσης, αυτή η γνώση πρέπει να κάνει ευκολότερη την κατασκευή υπολογιστών κουάντουμ,既然 ότι γνωρίζουμε ποια ιδιότητα είναι η πιο σημαντική για τον υπολογιστή κουάντουμ να λειτουργήσει όπως αναμένεται», λέει ο Jan-Åke Larsson.

Η ομάδα έχει επίσης κατασκευάσει μια φυσική έκδοση με ηλεκτρονικά компонента. Χρησιμοποίησαν πύλες που είναι παρόμοιες με αυτές των υπολογιστών κουάντουμ και ένα εργαλείο προσομοίωσης που προσομοιώνει πώς λειτουργεί ο υπολογιστής κουάντουμ. Αυτό μπορεί να επιτρέψει στους φοιτητές και άλλους να προσομοιώσουν και να κατανοήσουν πώς λειτουργούν η κρυπτογραφία κουάντουμ και η τηλεμεταφορά κουάντουμ, μεταξύ άλλων аспектών των υπολογιστών κουάντουμ.

Αυτή η νέα έρευνα μπορεί να προστεθεί στην αυξανόμενη διασταύρωση μεταξύ υπολογιστών κουάντουμ και τεχνητής νοημοσύνης. Μια από αυτές τις διασταυρώσεις είναι η χαρτογράφηση χαρακτηριστικών. Άλλη έρευνα που έχει διεξαχθεί από IBM Research, MIT και επιστήμονες του Οξφόρδη έχει δείξει ότι καθώς οι υπολογιστές κουάντουμ γίνονται πιο ισχυροί, θα είναι σε θέση να εκτελέσουν χαρτογράφηση χαρακτηριστικών σε πολύπλοκες δομές δεδομένων, κάτι που οι κλασικοί υπολογιστές δεν μπορούν να κάνουν. Η χαρτογράφηση χαρακτηριστικών είναι σημαντική στην машинική μάθηση και μπορεί να οδηγήσει σε πιο αποτελεσματική τεχνητή νοημοσύνη που θα μπορούσε να αναγνωρίσει μοτίβα σε δεδομένα που οι κλασικοί υπολογιστές δεν μπορούν να ανιχνεύσουν.

Όσο περισσότερη έρευνα λαμβάνει χώρα σε αυτά τα πεδία, θα υπάρχει όλο και περισσότερη διασταύρωση στα δύο σημαντικά πεδία.