Η Ιαπωνία έχει ενεργοποιήσει τον πρώτο πλήρως λειτουργικό υβριδικό κβαντικό υπερυπολογιστή στον κόσμο. Στο ινστιτούτο Riken στη Σαϊτάμα, ο ισχυρός Fugaku ενώθηκε με τον Reimei, έναν κβαντικό επεξεργαστή 20 qubit, δημιουργώντας ένα σύστημα ικανό να επιλύει σε ώρες υπολογισμούς που θα απαιτούσαν χρόνια από τους παραδοσιακούς υπερυπολογιστές.
Η Ιαπωνία ανάβει το μέλλον: ο πρώτος υβριδικός κβαντικός υπερυπολογιστής είναι πραγματικότητα
Πριν δούμε γιατί αυτός ο υπερυπολογιστής είναι τόσο σημαντικός και γιατί είναι εξίσου θεμελιώδης η ενσωμάτωσή του με τον επεξεργαστή, είναι απαραίτητο να διευκρινίσουμε τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής και πώς λειτουργεί. Θα προσπαθήσω να το εξηγήσω με τον πιο απλό τρόπο.
Οι παραδοσιακοί υπολογιστές (όπως το smartphone ή το laptop σου) χρησιμοποιούν “bit” για να επεξεργάζονται τις πληροφορίες. Κάθε bit μπορεί να είναι μόνο 0 ή 1, όπως ένας διακόπτης που μπορεί να είναι αναμμένος ή σβηστός. Οι κβαντικοί υπολογιστές, αντίθετα, χρησιμοποιούν “qubit” (δηλαδή κβαντικά bit).
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των δύο; Ένα qubit μπορεί να είναι 0, 1, ή και τα δύο ταυτόχρονα. Αυτή η κατάσταση του “να είναι δύο πράγματα ταυτόχρονα” ονομάζεται υπερθέση και είναι δυνατή χάρη στους νόμους της κβαντικής φυσικής.
Τώρα, τα qubit μπορούν να δημιουργηθούν με διάφορους τρόπους. Κάποιοι χρησιμοποιούν υποατομικά σωματίδια όπως ηλεκτρόνια ή φωτόνια. Άλλοι χρησιμοποιούν άτομα που έχουν ψυχθεί σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Το σημαντικό είναι ότι αυτά τα συστήματα ακολουθούν τους νόμους αυτού του κλάδου της επιστήμης που παραμένει ένα μυστήριο, αν και όχι για πολύ ακόμα.
Αυτά τα qubit είναι εξαιρετικά ευαίσθητα: θερμοκρασίες, δονήσεις ή ηλεκτρομαγνητικά πεδία μπορούν να τα διαταράξουν εύκολα και σύντομα θα δούμε γιατί αυτό είναι πολύ σημαντικό. Γι’ αυτό οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν σε υπερ-ελεγχόμενα περιβάλλοντα και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.
Τώρα, ας επιστρέψουμε σε εμάς και τον Fugaku.
Οι συμβατικοί κβαντικοί υπολογιστές δυσκολεύονται να λειτουργήσουν αυτόνομα λόγω των αστάθειών τους που μόλις αναφέραμε. Το σύστημα Reimei-Fugaku ξεπερνά αυτούς τους περιορισμούς συνδυάζοντας την σταθερότητα της κλασικής επεξεργασίας με τις μοναδικές δυνατότητες του κβαντικού υπολογισμού.
Σε αντίθεση με τα κβαντικά συστήματα που βασίζονται σε υπεραγώγιμα qubit, ο Reimei χρησιμοποιεί παγιδευμένα ιόντα – ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα που αιωρούνται σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία και χειρίζονται με ακρίβεια λέιζερ. Αυτή η τεχνολογία προσφέρει πιο σταθερά qubit και καλύτερα συνδεδεμένα μεταξύ τους, μειώνοντας δραστικά τα σφάλματα υπολογισμού.
Η πραγματική τεχνική πρόοδος βρίσκεται στο σύστημα “ion shuttling”: τα qubit μετακινούνται φυσικά μέσα στο κύκλωμα, επιτρέποντας πιο σύνθετες λειτουργίες. Είναι λίγο σαν να έχεις μια σκακιέρα όπου τα κομμάτια δεν είναι δεσμευμένα στις αρχικές τους θέσεις αλλά μπορούν να αναδιαμορφώνονται δυναμικά κατά τη διάρκεια του παιχνιδιού.
Αλλά πώς αντιμετωπίζει ο υπερυπολογιστής Fugaku το κρίσιμο πρόβλημα των κβαντικών σφαλμάτων; Μέσω ενός εξελιγμένου συστήματος διόρθωσης που ομαδοποιεί τα φυσικά qubit σε “λογικά qubit”, διανέμοντας την πληροφορία σε περισσότερα σημεία. Σύμφωνα με τα δεδομένα, έχει ήδη μειώσει το ποσοστό σφάλματος κατά 800 φορές σε σύγκριση με τα παραδοσιακά συστήματα.
Στην ουσία, αντί να αποθηκεύει μια πληροφορία σε ένα μόνο φυσικό qubit, το σύστημα διανέμει την πληροφορία σε περισσότερα φυσικά qubit που, μαζί, σχηματίζουν ένα “λογικό qubit”.
Μια μεταφορά για να το κατανοήσουμε καλύτερα θα μπορούσε να είναι ένα σύστημα ψηφοφορίας με πλειοψηφία. Αν έχεις τρία άτομα που πρέπει να αποφασίσουν μεταξύ “ναι” (1) και “όχι” (0), και δύο λένε “ναι” ενώ ένα λέει “όχι”, η τελική απόφαση θα είναι “ναι”. Με τον ίδιο τρόπο, αν κάποια φυσικά qubit μέσα σε ένα λογικό qubit υποστούν σφάλμα, τα άλλα qubit “ψηφίζουν” για να διατηρήσουν τη σωστή πληροφορία.
Οι τομείς που θα επωφεληθούν πρώτοι από αυτήν την τεχνολογία θα είναι σίγουρα η φυσική των υλικών και η υπολογιστική χημεία στην πρώτη γραμμή, με εφαρμογές που εκτείνονται από την ανάπτυξη νέων καταλυτών μέχρι τον σχεδιασμό πιο αποδοτικών μπαταριών.
