Βίντεο

Αποσπάσματα

Για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας μας, η ανθρώπινη τεχνολογία αποτελείται απο το μυαλό μας, την φωτιά, και αιχμηρά ραβδιά.

Ενώ η φωτιά και τα αιχμηρά ραβδιά μετατράπηκαν σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και πυρηνικά όπλα,

η μεγαλύτερη αναβάθμιση συνέβηκε στο μυαλό μας.

Από την δεκατία του 1960, η δύναμη των “μηχανικών εγκεφάλων” μας αυξάνεται εκθετικά,

επιτρέποντας στους υπολογιστές να γίνονται μικρότεροι και ισχυρότεροι ταυτόχρονα.

Αλλά αυτή η διαδικασία είναι έτοιμη να φτάσει τα φυσικά της όρια.

Τα μέρη ενός υπολογιστή πλησιάζουν το μέγεθος ενός ατόμου.

Για να καταλάβουμε γιατί αυτό είναι πρόβλημα, θα πρέπει να ξεκαθαρίσουμε κάποια βασικά πράγματα.

Ένας υπολογιστής αποτελείται από πολύ απλά συστατικά

κάνοντας πολύ απλά πράγματα.

Απεικονίζει δεδομένα, τα επεξεργάζεται και περιλαμβάνει μηχανισμούς ελέγχου.

Τα τσίπ των υπολογιστών περιέχουν ενότητες, οι οποίες περιέχουν λογικές πύλες, οι οποίες περιέχουν τρανζίστορ.

Το τρανζίστορ είναι η απλούστερη μορφή ενός επεξεργαστή δεδομένων στους υπολογιστές,

βασικά ένας διακόπτης που μπορεί είτε να μπλοκάρει, είτε να ανοίξει μιά διαδρομή για τις πληροφορίες που διέρχονται.

Αυτή η πληροφορία αποτελείται από bits

τα οποία μπορούν να είναι είτε σε 0 είτε σε 1.

Οι συνδυασμοί των διαφόρων bits χρησιμοποιούνται για να παρουσιάσουν πιο σύνθετες πληροφορίες.

Τα τρανζίστορ συνδυάζονται για να δημιουργήσουν λογικές πύλες οι οποίες κάνουν πολύ απλά πράγματα.

Για παράδειγμα, μια πύλη AND (λογικό ΚΑΙ) έχει έξοδο 1, εάν όλοι οι είσοδοι της είναι 1, αλλιώς έχει έξοδο 0.

Συνδυασμοί από λογικές πύλες σχηματίζουν λογικά κυκλώματα, ας πούμε, για την προσθήκη δύο αριθμών

Αφού μπορείτε να προσθέσετε, μπορείτε και να πολλαπλασιάσετε,

και αφού μπορείτε να πολλαπλασιάσετε, μπορείτε να κάνετε οτιδήποτε.

Δεδομένου οτί όλες οι βασικές λειτουργίες είναι κυριολεκτικά απλούστερες από τα μαθηματικά δημοτικού,

μπορείτε να φανταστείτε έναν υπολογιστή σαν μια ομάδα από εφτάχρονα που απαντούν σε βασικές μαθηματικές ερωτήσεις.

Ένα αρκετά μεγάλο πλήθος από δαύτα θα μπορούσε να υπολογίσει οτιδήποτε

από αστροφυσική μέχρι το παιχνίδι Zelda.

Ωστόσο, με τα εξαρτήματα να γίνονται όλο και μικρότερα,

η κβαντική φυσική κάνει τα πράγματα δύσκολα.

Με λίγα λόγια, ένα τρανζίστορ είναι απλά ένας ηλεκτρικός διακόπτης.

Ηλεκτρική ενέργεια είναι τα ηλεκτρόνια που μετακινούνται από ένα μέρος σε ένα άλλο.

Οπότε, ένας διακόπτης είναι μια δίοδος που μπορεί να μπλοκάρει τα ηλεκτρόνια απο το να μετακινούνται προς μια κατεύθυνση.

Σήμερα, μια τυπική κλίμακα για τρανζίστορ είναι 14 νανόμετρα

το οποίο είναι 8 φορές λιγότερο από την διάμετρο του ιού HIV

και 500 φορές μικρότερο από ένα ερυθρό αιμοσφαίριο.

Καθώς τα τρανζίστορ συρρικνώνονται στο μέγεθος λίγων ατόμων

τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταφερθούν στην άλλη μεριά μιας κλειστής διόδου

μέσω μιάς διαδικασίας που ονομάζεται κβαντικό φαινόμενο σήραγγας (Quantum Tunneling).

Στην κβαντική σφαίρα, η φυσική λειτουργεί αρκετά διαφορετικά από τον προβέψιμο τρόπο που έχουμε συνηθίσει

και οι παραδοσιακοί υπολογιστές απλά σταματούν να βγάζουν νόημα.

Πλησιάζουμε ένα πραγματικό φυσικό εμπόδιο για την τεχνολογική μας πρόοδο.

Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα,

οι επιστήμονες προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν ασυνήθιστες κβαντικές ιδιότητες προς όφελος τους

με την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών.

Στους κανονικούς υπολογιστές, τα bits είναι οι μικρότερες μονάδες πληροφορίας.

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούνται qubits, τα οποία μπορούν να ρυθμιστούν σε μία από δύο τιμές.

Ένα qubit μπορεί να είναι οποιοδήποτε κβαντικό σύστημα δύο επιπέδων

όπως το σπιν σε ένα μαγνητικό πεδίο ή ένα φωτόνιο

με 0 και 1 να είναι οι πιθανές καταστάσεις του συστήματος

όπως η οριζόντια ή η κάθετη πόλωση των φωτονίων.

Στον κβαντικό κόσμο, το qubit δεν είναι υποχρεωτικά μόνο ένα από αυτά

μπορεί να είναι σε οποιαδήποτε αναλογία από τις δύο καταστάσεις την ίδια στιγμή.

Αυτό ονομάζεται υπέρθεση.

Αλλά μόλις ελέγξετε την τιμή του, ας πούμε, στέλνοντας το φωτόνιο μέσω ενος φίλτρου

θα πρέπει να αποφασίσει να είναι είτε σε κάθετη είτε σε οριζόντια πόλωση

Έτσι όσο είναι απαρατήρητο,

το qubit είναι σε μια υπέρθεση πιθανοτήτων για 0 και 1, χωρίς να μπορεί να προβλεφθεί η τιμή του

αλλά τη στιγμή που θα το μετρήσουμε

καταρρέει σε μια καταστάση.

Η υπέρθεση αλλάζει τους κανόνες του παιχνιδιού.

4 κλασσικά bits μπορούν να είναι σε έναν από τους δύο εις την τετάρτη διαφορετικούς συνδιασμούς

που σημαίνει 16 πιθανοί συνδυασμοί από τους οποίους μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μόνο ένα.

4 qubits σε υπέρθεση, ωστόσο, μπορούν να είναι σε όλους τους 16 συνδυασμούς ταυτόχρονα.

Αυτός ο αριθμός αυξάνεται εκθετικά με κάθε επιπλέον qubit

20 από αυτά μπορούν να αποθηκεύσουν ένα εκατομμύριο τιμές παράλληλα.

Μιά πραγματικά παράξενη και μη διαισθητική ιδιότητα που μπορούν να έχουν τα qubits είναι η κβαντική διεμπλοκή,

μια στενή σχέση που κάνει το ένα qubits να αντιδρά σε μια αλλαγη στην κατάσταση του άλλου, ακαριαία,

ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι μεταξύ τους.

Αυτό σημαίνει ότι μετρώντας το ένα απο τα διαμπλεγμένα qubits, άμεσα συμπεραίνουμε τις ιδιότητες του άλλου

χωρίς να χρειάζεται να το εξετάσουμε.

Ο χειρισμός των qubit είναι εξίσου περίπλοκος.

μια κανονική λογική πύλη παίρνει ένα απλό σύνολο από εισροές και παράγει μια οριστική έξοδο,

μια κβαντική πύλη χειρίζεται μια είσοδο από υπερθέσεις, περιστρέφει πιθανότητες

και παράγει μια άλλη υπέρθεση ως έξοδο.

Έτσι ένας κβαντικός υπολογιστής θέτει κάποια qubits, εφαρμόζει κβαντικές πύλες για να τα μπλέξει και να χειριστεί τις πιθανότητες.

Στην συνέχεια μετρά το αποτέλεσμα, καταρρέοντας τις υπερθέσεις σε μια ακολουθία από 0 και 1.

Αυτο σημαίνει ότι μπορείτε να κάνετε όλους τους υπολογισμούς που είναι δυνατοί, την ίδια στιγμή.

Τελικά μπορείτε να μετρήσετε μόνο ένα από τα αποτελέσματα, και θα είναι πιθανώς αυτό που θέλατε,

Έτσι ίσως χρειαστεί να ελέγξετε ξανά και να ξαναπροσπαθήσετε.

Αλλά με έξυπνη αξιοποίηση της υπέρθεσης και την διεμπλοκής,

αυτό μπορεί να είναι εκθετικά πιο αποτελεσματικό από ότι θα μπορούσε να ήταν σε έναν κανονικό υπολογιστή.

Έτσι, ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές πιθανότατα δεν αντικαθιστούν τους υπολογιστές στα σπίτια μας

σε μερικούς τομείς, είναι κατά πολύ ανώτεροι.

Ένας τέτοιος τομέας είναι η αναζήτηση βάσεων δεδομένων.

Για να βρεί κάτι σε μια βάση δεδομένων, ένας κανονικός υπολογιστής θα πρέπει να δοκιμάσει κάθε μία από τις καταχωρίσεις της.

Οι αλγόριθμοι των κβαντικών υπολογιστών χρειάζονται μόνο την τετράγωνη ρίζα του χρόνου

το οποίο για μεγάλες βάσεις δεδομένων, είναι μια τεράστια διαφορά.

Η πιο διάσημη χρήση των κβαντικών υπολογιστών είναι για την καταστροφή της ασφάλειας των πληροφοριών.

Αυτήν την στιγμη, η περιήγηση, τα email και τα τραπεζικά σας δεδομένα διαφυλάσσονται από ένα σύστημα κρυπτογράφησης

στο οποία δίνετε σε όλους ένα δημόσιο κλειδί για κρυπτογράφησουν μηνυμάτα που μόνο εσείς μπορείτε να αποκωδικοποιήσετε.

Το πρόβλημα είναι ότι αυτό το δημόσιο κλειδί μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίστει το μυστικό ιδιωτικό κλειδί σας.

Ευτυχώς, κάνοντας τα απαραίτητα μαθηματικά σε οποιοδήποτε κανονικό υπολογιστή θα πάρει χρόνια δοκιμής και σφάλματος

αλλά ένας κβαντικός υπολογιστής, εκθετικά ταχύτερος, θα μπορούσε να το κάνει άνετα.

Μια άλλη πραγματικά συναρπαστική νέα χρήση είναι οι προσομοιώσεις.

Οι προσομοιώσεις του κβαντικού κόσμου είναι πολύ απαιτητικές

και ακόμη για τις μεγαλύτερες δομές όπως τα μόρια, συχνά στερούνται ακρίβειας.

Γιατί λοιπόν να μην προσομοιώνουν την κβαντική φυσική με πραγματική κβαντική φυσική;

Κβαντικές προσομοιώσεις θα μπορούσαν να προσφέρουν νέες γνώσεις για τις πρωτεΐνες, φέρνοντας επανάσταση στην ιατρική.

Προς το παρόν δεν ξέρουμε αν οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι απλά ένα εξειδικευμένο εργαλείο

ή μια μεγάλη επανάσταση για την ανθρωπότητα.

Δεν έχουμε καμιά ιδέα για το πού είναι τα όρια της τεχνολογίας

και υπάρχει μόνος ένας τρόπος για να μάθουμε.

Αυτό το βίντεο υποστηρίζεται απο το την Australian Academy of Science (Αυστραλιανή Ακαδημία Επιστημών)

η οποία προωθεί και υποστηρίζει την αριστεία στην επιστήμη

Μάθε περισσότερα για αυτό το θέμα και άλλα σαν αυτό στο nova.org.au

Ήταν καταπληκτικό το να εργαστούμε μαζί τους, για αυτό δείτε τον ιστότοπό τους

Το βίντεο μας είναι εφικτά μέσω της υποστήριξής σας στο patreon.com

Εάν θέλετε να μας στηρίξετε και να γίνεται μέλος του στρατού των πουλιών του Kurzgesagt, ελέγξτε την σελίδα μας, στο Patreon!

Υπότιτλοι από τον Ντάκα Ιωάννη [επιμέλεια Θανάσης Αγγελογεώργος]