Quantum computing | Τι είναι, πότε θα έρθει και πώς θα επηρεάσει την ψηφιακή μας ζωή;


Πριν από λίγες ημέρες η Google ανακοίνωσε περήφανα ότι έχει καταφέρει το "quantum supremacy", το οποίο με απλά λόγια σημαίνει ότι ο κβαντικός υπολογιστής της κατάφερε να λύσει γρηγορότερα μία εξίσωση από έναν συμβατικό υπολογιστή. Η νέα αυτή εποχή που ξεκινάει στις μέρες μας, θα προκαλέσει μία μεγάλη επανάσταση στα υπολογιστικά συστήματα, αλλά μαζί της θα φέρει και πολλά προβλήματα, με κυριότερο από αυτά την απαλοιφή της σημερινής κρυπτογραφίας. Τι είναι όμως το quantum computing και πώς θα επηρεάσει τη ζωή μας τα επόμενα χρόνια;

Οι συμβατικοί υπολογιστές και ο νόμος του Moore


Οι επεξεργαστές των σημερινών υπολογιστών αποτελούνται από πολλά τρανζίστορ, τα οποία είναι στην ουσία μικροί διακόπτες που επιτρέπουν ή διακόπτουν τη διέλευση της τάσης του ρεύματος. Ανάλογα με την κατάσταση των τρανζίστορ ο υπολογιστής μας αποθηκεύει τις λογικές τιμές μηδέν (0) και ένα (1), οι οποίες σε μεγάλη κλίμακα δημιουργούν τα byte ή megabyte πληροφοριών που ανταλλάσσουμε καθημερινά μεταξύ μας.

Για παράδειγμα ένα απλό USB στικάκι που μπορεί να αποθηκεύσει αρχεία συνολικού μεγέθους 1GB, αποθηκεύει στην ουσία περίπου 1.000 εκατομμύρια (ή ένα δισεκατομμύριο) byte στη μνήμη του. Για ένα byte πληροφορίας απαιτούνται οκτώ bit, δηλαδή οκτώ τρανζίστορ. Άρα το τσιπ που έχει το στικάκι μας διαθέτει 8.000 εκατομμύρια (ή οκτώ δισεκατομμύρια) τρανζίστορ!


Διαφήμιση

Σύμφωνα με το "νόμο του Moore" (CEO της Intel) στους υπολογιστές μας διπλασιάζονται τα τρανζίστορ σε κάθε μικροτσίπ ανά 18 μήνες. Ο λόγος είναι γιατί σε περίοδο περίπου δύο ετών καταφέρνουμε να μειώσουμε το μέγεθός τους στο μισό. Το 2019 οι επεξεργαστές μας έχουν φτάσει στα πέντε νανόμετρα (5nm) με τη Samsung και την TSMC να έχουν ανακοινώσει ότι θα ξεκινήσουν το 2021 την κατασκευή επεξεργαστών στα 3nm! Κάπου εκεί όμως και συγκεκριμένα το 2025 ο νόμος τους Moore θα πάψει να ισχύει, γιατί τα τρανζίστορ θα έχουν το μέγεθος του ατόμου (όπως λέμε μόρια και άτομα) όπου εκεί δε λειτουργεί η κλασική φυσική αλλά η κβαντική!


Η κβαντική φυσική και το quantum computing


Μόλις φτάνουμε σε μέγεθος μικρότερο του ατόμου (υποατομικό επίπεδο), εκεί αναλαμβάνει η κβαντική φυσική η οποία είναι κυριολεκτικά τρελή. Σε αυτά τα μεγέθη τα άτομα του φωτός μπορεί να έχουν δύο μορφές ταυτόχρονα! Μπορεί να είναι είτε κύματα είτε ένα σύνολο σωματιδίων! Ακόμη πιο τρελό είναι ότι σε κάποιες περιπτώσεις το άτομο "δεν έχει αποφασίσει" ποια μορφή θα έχει και το κάνει παρά μόνον μόλις το παρατηρήσουμε!

Το πιο γνωστό παράδειγμα/παραδοχή σε αυτό είναι η γάτα του Schrodinger, το οποίο λέει ότι αν έχουμε μία γάτα σε ένα κουτί και δεν μπορούμε να το ανοίξουμε, η γάτα αυτή είναι ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή. Έχει δηλαδή δύο μορφές μέχρι να ανοίξουμε το κουτί και να την παρατηρήσουμε. Τρελά πράγματα!


Όταν λοιπόν ένα τρανζίστορ βρίσκεται σε υποατομικό επίπεδο, υπακούει στους κανόνες της κβαντικής φυσικής. Αυτό σημαίνει ότι αντί να μας δίνει τις κλασικές τιμές μηδέν και ένα, μπορεί να μας δώσει το μηδέν ή το ένα ή το μηδέν και το ένα ταυτόχρονα ή οποιονδήποτε δεκαδικό αριθμό υπάρχει μεταξύ τους. Αυτά δεν τα ονομάζουμε πλέον bit αλλά qubit (quantum bit).

Αυτό που προσπαθούν πλέον οι επιστήμονες, είναι να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον όπου όλα τα τρανζίστορ θα βρίσκονται σε κατάσταση "superposition" για να μπορούν να μας δώσουν όλες αυτές τις τιμές ταυτόχρονα. Παράλληλα όμως πρέπει να είναι σε θέση να προβλέψουν την τιμή αυτή με σιγουριά για να λειτουργεί σωστά ο υπολογιστής. Αυτό είναι λοιπόν που μας έχει μείνει για να φτιάξουμε έναν λειτουργικό quantum computer, αλλά δεν είμαστε πολύ μακριά σύμφωνα με τη Google.


Διαφήμιση

Το "quantum supremacy" της Google


Επιστρέφοντας στην εισαγωγή του άρθρου, η Google ανακοίνωσε πρόσφατα ότι έχει καταφέρει το "quantum supremacy", κάτι που σημαίνει ότι βρισκόμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο quantum computing. Συγκεκριμένα ο υπολογιστής των 53-qubit που διαθέτει, κατάφερε να λύσει μία εξίσωση σε τρία λεπτά και 20 δευτερόλεπτα, όταν ένας συμβατικός υπολογιστής υπολογίζεται ότι θα χρειαζόταν 10.000 χρόνια για να το καταφέρει.

Ανταγωνιστές της Google όπως η IBM λένε ότι ο υπολογιστής της σχεδιάστηκε για να λύσει μόνο αυτό το συγκεκριμένο πρόβλημα και ότι δεν μπορεί να λειτουργήσει σαν κανονικός υπολογιστής. Μάλλον έχουν δίκιο αλλά αυτό που κρατάμε εμείς είναι η τρομερή ταχύτητα ενός κβαντικού υπολογιστή σε σχέση με έναν συμβατικό!


Αν η Google ή οποιοσδήποτε άλλος καταφέρει να φτιάξει έναν λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή, θα έχουμε στιγμιαία μία έκρηξη προόδου όσον αφορά τα υπολογιστικά συστήματα, εφάμιλλη της οποίας δεν έχουμε ξαναδεί. Αν ο "νόμος του Moore" λέει ότι η ισχύς ενός υπολογιστή διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες, τότε με έναν κβαντικό υπολογιστή μπορεί σε μία νύχτα να έχουμε τη χιλιαπλάσια ισχύ ή ακόμη και εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τον καλύτερο σημερινό supercomputer (δεν μπορούμε να το υπολογίσουμε με σιγουριά γιατί δεν είναι ακόμη μετρήσιμη η ισχύς ενός quantum computer).

Όλο αυτό θα λύσει τρομερά προβλήματα στην ιατρική, τη χημεία, την τεχνητή νοημοσύνη και σε άλλους τομείς, καθώς θα μπορούμε να τρέξουμε πολύ γρήγορα πολύπλοκα μοντέλα για να βρούμε τις λύσεις που ψάχνουμε. Για παράδειγμα οι επιστήμονες πίστευαν το 2000 ότι θα χρειαστούμε 24 δισεκατομμύρια χρόνια για να υπολογίσουμε τα επίπεδα ενέργειας της φερεδοξίνης, μίας ουσίας που χρησιμοποιούν τα φυτά για να κάνουν φωτοσύνθεση. Πλέον υπολογίζεται ότι σε μία ώρα θα έχουμε την απάντηση με έναν κβαντικό υπολογιστή!

Πέρα όμως από τα οφέλη, ένας quantum computer θα φέρει και προβλήματα με πρώτο από όλα τη σε μία νυκτί παλαίωση της σημερινής κρυπτογραφίας. Αυτός που τον έχει στην κατοχή του δηλαδή, θα μπορεί να μάθει άμεσα όλους τους κωδικούς σε όλους τους λογαριασμούς μας στο ίντερνετ!


Το πρόβλημα με την κρυπτογραφία


Η σημερινή κρυπτογραφία μοιάζει πολύ με την εξώπορτα του σπιτιού μας. Υπάρχει δηλαδή μία κλειδαριά (δημόσιο κλειδί) η οποία είναι δημόσια και μπορεί να την δει όποιος θέλει, ενώ υπάρχει και  ένα μοναδικό κλειδί (ιδιωτικό κλειδί) το οποίο έχουμε εμείς στην κατοχή μας. Όσο πιο πολύπλοκη είναι η κλειδαριά, τόσο περισσότερο χρόνο θα χρειαστεί ένας κλέφτης για να βρει το σωστό κλειδί και να την ανοίξει.

Στην κρυπτογραφία που χρησιμοποιούμε σήμερα, οι κλειδαριές είναι εξαιρετικά πολύπλοκες για όλους τους υπολογιστές και θεωρείται πρακτικά αδύνατο να βρεθεί το κλειδί μας μέσα από αυτές. Όπως είδαμε τις προάλλες στο άρθρο "Πόσο εύκολα χακάρονται οι λογαριασμοί μας;", αν σε μια σελίδα έχουμε έναν δυνατό κωδικό όπως το "h%9D3-Ijn76", ένας συμβατικός υπολογιστής θα χρειαστεί 18,28 αιώνες για να τον βρει, εκτελώντας ένα brute force attack. Με έναν κβαντικό υπολογιστή όμως αυτό θα μπορεί αν γίνει μέσα σε λίγες ώρες.

Θα μπορούσαμε λοιπόν να πούμε ότι ο quantum computer είναι ο μεγαλύτερος εχθρός της κρυπτογραφίας, καθώς η δεύτερη βασίζεται στο γεγονός ότι οι υπολογιστές δεν μπορούν να κάνουν τόσο γρήγορα πολύπλοκες μαθηματικές πράξεις. Αν λοιπόν κάποιος αποκτήσει άμεσα έναν κβαντικό υπολογιστή, τότε όλο το ίντερνετ δε θα είναι πλέον ασφαλές. Τη λύση όμως μπορεί να τη δώσει ο ίδιος υπολογιστής, καθώς με αυτόν θα μπορέσουμε να δημιουργήσουμε κβαντικούς αλγορίθμους στους οποίους θα βασίσουμε την κρυπτογραφία της επόμενης γενιάς.


Το χρονικό όριο του 2025 και οι εναλλακτικές λύσεις


Κλείνοντας αξίζει να δούμε και τι θα συμβεί μετά το 2025 που υπολογίζεται ότι ο "νόμος του Moore" θα σταματήσει να ισχύει. Θεωρητικά δε θα μπορεί να υπάρξει πρόοδος στα μικροτσίπ αν δεν έχουμε μέχρι τότε κβαντικούς υπολογιστές, για αυτό οι επιστήμονες ψάχνουν για εναλλακτικές λύσεις.

Μία από αυτές είναι να αυξήσουμε απλά το μέγεθος των επεξεργαστών. Μέχρι σήμερα προσπαθούσαμε στην ίδια επιφάνεια να χωρέσουμε όσο περισσότερα τρανζίστορ γίνεται, οπότε τώρα θα μπορούσαμε να αυξήσουμε αυτή την επιφάνεια. Αυτό βέβαια σημαίνει ότι θα αρχίσουν να μεγαλώνουν και οι συσκευές μας, όπως για παράδειγμα τα smartphone.


Μία άλλη λύση είναι ο σχεδιασμός των μικροτσίπ ανάλογα με τις ανάγκες του κάθε τομέα. Θα πρέπει δηλαδή να σκεφτούμε τι χρειάζεται η κάθε βιομηχανία και να δημιουργήσουμε συγκεκριμένους επεξεργαστές για την κάθε μία.

Μία τρίτη σκέψη είναι η χρήση εναλλακτικών υλικών για την κατασκευή επεξεργαστών, όπως για παράδειγμα το γραφένιο. Οι ιδιότητες του γραφενίου είναι πολλά υποσχόμενες για τις ηλεκτρονικές μας συσκευές, καθώς από το συγκεκριμένο υλικό θα μπορούσαμε να φτιάξουμε όχι μόνο επεξεργαστές, αλλά και μία νέα γενιά μπαταριών! Δυστυχώς όμως το γραφένιο είναι ακριβό στην κατασκευή του και για αυτό δεν το έχουμε δει ακόμη σε πρακτικές εφαρμογές.


Από ότι φαίνεται λοιπόν είμαστε κοντά αλλά και μακριά από τη δημιουργία του πρώτου ολοκληρωμένου quantum computer. Την επόμενη δεκαετία θα δούμε ποιες λύσεις θα αναγκαστεί να βρει η βιομηχανία της τεχνολογίας αν θέλει να επιβιώσει μετά το 2025, όπου το μοντέλο που ακολουθεί τα τελευταία χρόνια θα πάψει να ισχύει.

Βιβλιογραφία


  1. Moore's law 
  2. Google may have just ushered in an era of "quantum supremacy"
  3. Quantum computing explained
  4. Encryption and steganography
  5. Michio Kaku: Quantum computing


Σχόλια

Διαβάστε επίσης...

Smart Home | Κάμερα ασφαλείας με μπαταρία για να παρακολουθείς ακόμη και χώρους που δεν έχουν ηλεκτροδότηση!

Sharp Aquos Crystal: Το smartphone που ψάχνουμε μόλις δημιουργήθηκε από τη Sharp

Πέντε τρόποι για να ξεκλειδώσεις τη συσκευή σου αν έχεις ξεχάσει το Μοτίβο ή το PIN

Οδηγός αγοράς | Τα καλύτερα Android smartphone του 2018 για το 2019

Android | Παίξε τα παιχνίδια του PlayStation στο Android smartphone ή tablet σου με το PS4 Remote Play!

3D Printing | Δημιουργούμε μοναδικά φωτιστικά εκτυπώνοντας τις φωτογραφίες μας σε 3D!

Android 10 | Εγκατάστησέ το άμεσα σε οποιαδήποτε Android συσκευή υποστηρίζει το Project Treble

Raspberry Pi | Μετατρέπουμε το Pi σε Chromecast και προβάλουμε τα βίντεό μας στην τηλεόραση

3D Printing | Δέκα χρήσιμα πράγματα που μπορείς να εκτυπώσεις για το γραφείο σου

Android | Δε λαμβάνεις αναβαθμίσεις στη συσκευή σου; Μπορεί να φταίει η Wind!