Η συνάντηση κβαντικών υπολογιστών και τεχνητής νοημοσύνης

3D illustration of a working quantum computer. Quantum computing concept.

Του Δρα Γιώργου Ατσαλάκη, Οικονομολόγου, Αναπληρωτή Καθηγητή Πολυτεχνείου Κρήτης Εργαστήριο Ανάλυσης Δεδομένων και Πρόβλεψης 

Η  σημασία της τεχνητής νοημοσύνης (ΤΝ) έγκειται στη δυνατότητά της

να αναβαθμίσει και να διευρύνει τις ανθρώπινες ικανότητες, να επιταχύνει την επιστημονική και τεχνολογική πρόοδο, να βελτιώσει την οικονομική αποδοτικότητα και να συμβάλει σε μια πιο ασφαλή και ευέλικτη κοινωνία.

Ο κόσμος της τεχνητής νοημοσύνης και γενικότερα της ψηφιακής τεχνολογίας βρίσκεται σε ένα σημείο καμπής, καθώς οι παραδοσιακές μέθοδοι επεξεργασίας δεδομένων προσεγγίζουν σταδιακά τα θεωρητικά τους όρια. Σε αυτό το πλαίσιο, οι κβαντικοί υπολογιστές αναδύονται ως μια από τις πλέον υποσχόμενες εξελίξεις. Η έννοια του «quantum» προέρχεται από την κβαντομηχανική, ένα πεδίο της φυσικής που μελετά τη συμπεριφορά των μικροσκοπικών σωματιδίων — όπως τα άτομα και τα ηλεκτρόνια — κάτω από συνθήκες όπου τα φαινόμενα της κλασικής φυσικής δεν αρκούν για να περιγράψουν τις παρατηρούμενες διεργασίες. 

Σε αντίθεση με έναν κλασικό υπολογιστή, ο οποίος βασίζεται σε bits που μπορούν να βρίσκονται σε μία από δύο καταστάσεις (0 ή 1), οι κβαντικοί υπολογιστές αξιοποιούν τα qubits, τα κβαντικά bits, τα οποία μπορούν να βρίσκονται σε υπέρθεση πολλαπλών καταστάσεων. Επιπλέον, αξιοποιούν το φαινόμενο της διεμπλοκής (entanglement), όπου δύο ή περισσότερα qubits μπορούν να συσχετιστούν έτσι ώστε η κατάσταση του ενός να επηρεάζει στιγμιαία την κατάσταση του άλλου, ακόμα κι αν βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση. Αυτά τα φαινόμενα, που στις αρχές του 20ού αιώνα φάνταζαν παράδοξα και αντιφατικά, είναι σήμερα η βάση μιας νέας γενιάς υπολογιστικών μηχανών. 

Η μετάβαση από τους κλασικούς στους κβαντικούς υπολογιστές

Ας σκεφτούμε έναν κλασικό υπολογιστή σαν έναν βιβλιοθηκάριο που, αναζητώντας ένα συγκεκριμένο βιβλίο, ελέγχει τα ράφια σειριακά. Αυτό το μοντέλο λειτουργίας, αν και εξαιρετικά αποδοτικό για πολλές εφαρμογές, έχει ορισμένους εγγενείς περιορισμούς. Οι κβαντικοί υπολογιστές, αντίθετα, λειτουργούν σαν ένας βιβλιοθηκάριος που μπορεί, μεταφορικά μιλώντας, να «κοιτάει» ταυτόχρονα όλα τα ράφια. Αυτή η ικανότητα παράλληλης εξερεύνησης διαφόρων καταστάσεων ή λύσεων ταυτόχρονα επιτρέπει την επίλυση ορισμένων προβλημάτων με ασύγκριτη ταχύτητα. 

Συγκεκριμένα, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν αποδειχθεί θεωρητικά εξαιρετικά χρήσιμοι σε τομείς όπως η βελτιστοποίηση πολύπλοκων συστημάτων, η κρυπτογραφία και η προσομοίωση κβαντικών συστημάτων — για παράδειγμα, η προσομοίωση μορίων με σκοπό τη δημιουργία νέων υλικών ή φαρμάκων. Όμως, παρά την τεράστια θεωρητική τους δύναμη, η πρακτική υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών σε μεγάλη κλίμακα παρουσιάζει ακόμη τεράστιες προκλήσεις. 

Συχνά στα μέσα ενημέρωσης συναντάμε ισχυρισμούς που παρουσιάζουν τους κβαντικούς υπολογιστές ως τον άμεσο αντικαταστάτη των κλασικών υπολογιστικών συστημάτων. Αυτή η άποψη αποτελεί σαφή υπερβολή. Δεν πρόκειται να δούμε σύντομα τους φορητούς υπολογιστές ή τα κινητά μας τηλέφωνα να αντικαθίστανται από κβαντικές συσκευές. Οι κβαντικοί υπολογιστές, τουλάχιστον με τα σημερινά δεδομένα, είναι εξειδικευμένα εργαλεία που θα λειτουργούν συμπληρωματικά με τα κλασικά συστήματα. Ενώ ένας κλασικός υπολογιστής παραμένει ιδανικός για καθημερινές εργασίες, ένας κβαντικός υπολογιστής θα αναλάβει πολύπλοκα και ειδικά προβλήματα, όπου η κβαντική υπέρθεση και η διεμπλοκή δίνουν ένα αποφασιστικό πλεονέκτημα. 

Επιπλέον, αν και έχουν παρουσιαστεί επιτεύγματα όπως η «κβαντική υπεροχή» (quantum supremacy) του επεξεργαστή Sycamore της Google, πρέπει να είμαστε ρεαλιστές. Οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές είναι πειραματικές μηχανές, επιρρεπείς σε σφάλματα και όχι ακόμα κλιμακώσιμοι για πραγματικά ευρείες εφαρμογές. Η παρουσίαση της «κβαντικής υπεροχής» αφορούσε ένα πολύ συγκεκριμένο μαθηματικό πρόβλημα, δίχως άμεση πρακτική εφαρμογή. Ωστόσο, απέδειξε ότι υπάρχει ένα πεδίο όπου οι κβαντικές μηχανές μπορούν ήδη να ξεπεράσουν τους κλασικούς υπερυπολογιστές. 

Σε αντίθεση με την υπερβολή ότι «οι κβαντικοί υπολογιστές έρχονται αύριο», η πραγματικότητα μας λέει ότι απέχουμε τουλάχιστον μια δεκαετία από την κατασκευή μεγάλης κλίμακας, διορθωμένων ως προς τα σφάλματα κβαντικών υπολογιστών. Μέχρι τότε, η πρόοδος που γίνεται θα αφορά μικρότερες κλίμακες, ειδικές εφαρμογές και συνεχείς βελτιώσεις στη σταθερότητα και την αξιοπιστία των qubit. 

Προκλήσεις στην υλοποίηση: Σφάλματα, κλιμάκωση και χαμηλές θερμοκρασίες

Η δημιουργία ενός λειτουργικού κβαντικού υπολογιστή δεν είναι απλή υπόθεση. Ένα βασικό ζήτημα είναι η διόρθωση σφαλμάτων. Λόγω της ευαισθησίας των qubit στις περιβαλλοντικές διαταραχές (θόρυβος, θερμοκρασιακές διακυμάνσεις, μαγνητικά πεδία), τα σφάλματα είναι συχνά. Η ανάπτυξη τεχνικών κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων (quantum error correction) αποτελεί ενεργό πεδίο έρευνας. Η επίλυση αυτού του προβλήματος θα ανοίξει τον δρόμο για σταθερούς, αξιόπιστους κβαντικούς υπολογιστές. 

Επιπλέον, τα περισσότερα τρέχοντα κβαντικά συστήματα απαιτούν εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (κοντά στο απόλυτο μηδέν) για να λειτουργήσουν σωστά. Αυτό περιορίζει την πρακτική τους εφαρμογή και αυξάνει σημαντικά το κόστος και την πολυπλοκότητα της υλοποίησής τους. Επίσης, το ζήτημα της κλιμάκωσης αποτελεί τεράστια πρόκληση: πώς περνάμε από λίγες δεκάδες ή εκατοντάδες qubit σε εκατομμύρια qubit, αναγκαία για την επίλυση πραγματικά σύνθετων προβλημάτων; Η απάντηση σε αυτό δεν είναι απλή και απαιτεί ριζοσπαστικές καινοτομίες στη μηχανική, στα υλικά και στους αλγορίθμους. 

Υποσχόμενες πρώιμες εφαρμογές: Ανακάλυψη φαρμάκων, πυρηνική σύντηξη και μπαταρίες

Παρά τις δυσκολίες, δεν πρέπει να παραγνωρίσουμε ότι έχουν ήδη εμφανιστεί πρώτες υποσχόμενες εφαρμογές. Για παράδειγμα, στην ανακάλυψη φαρμάκων, η ικανότητα των κβαντικών υπολογιστών να προσομοιώνουν τη συμπεριφορά πολύπλοκων μοριακών αλληλεπιδράσεων μπορεί να επιταχύνει την έρευνα νέων φαρμάκων και να μειώσει σημαντικά το κόστος ανάπτυξής τους. 

Στον τομέα της ενέργειας, η πυρηνική σύντηξη — ένα όνειρο καθαρής και ανεξάντλητης πηγής ενέργειας — απαιτεί ακριβείς προσομοιώσεις των πυρηνικών αντιδράσεων και του πλάσματος. Οι κβαντικοί υπολογιστές, με την υπέρθεση και την ικανότητα να «δοκιμάζουν» πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα, μπορεί να παρέχουν ακριβέστερα μοντέλα, βοηθώντας τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη συμπεριφορά της ύλης σε ακραίες συνθήκες. Παρομοίως, στην ανάπτυξη πιο αποδοτικών μπαταριών, η μοντελοποίηση της ηλεκτροχημείας σε κβαντικό επίπεδο θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιωμένα υλικά, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και ταχύτερη φόρτιση. 

Η συνάντηση της τεχνητής νοημοσύνης και της κβαντικής υπολογιστικής

Όταν η Τεχνητή Νοημοσύνη (ΤΝ) συναντά την κβαντική υπολογιστική, δημιουργείται ένα πεδίο με τεράστιες δυνατότητες: το Quantum-AI. Η ΤΝ σήμερα υπερέχει στην επεξεργασία μεγάλων δεδομένων, στην ανίχνευση προτύπων και στη λήψη αποφάσεων βάσει πιθανότητας. Ωστόσο, ορισμένα προβλήματα εκπαίδευσης μοντέλων ή βελτιστοποίησης συστημάτων παραμένουν υπολογιστικά πολύπλοκα. Η κβαντική υπολογιστική, με την ικανότητά της να εξερευνά συνδυασμούς και καταστάσεις ταυτόχρονα, μπορεί να προσφέρει μια θεαματική επιτάχυνση σε τέτοιου είδους υπολογισμούς. 

Ήδη βλέπουμε προσπάθειες όπως η χρήση κβαντο-εμπνευσμένων αλγορίθμων σε κλασικούς υπολογιστές για τη βελτίωση, για παράδειγμα, προτάσεων σε συστήματα recommendation (D-Wave). Η IBM προσφέρει τη βιβλιοθήκη Qiskit Machine Learning για πειράματα με κβαντικά μοντέλα μάθησης, ενώ η Google διερευνά κβαντικά νευρωνικά δίκτυα (QNNs) για βελτίωση στην ταξινόμηση και την παλινδρόμηση. Αν και αυτά βρίσκονται ακόμα σε εμβρυϊκό στάδιο, υποδεικνύουν το δρόμο προς ένα μέλλον όπου οι κβαντικοί υπολογιστές θα αποτελέσουν το υπόβαθρο για πιο προηγμένα μοντέλα ΤΝ. 

Ο ρόλος των μεγάλων εταιρειών και της ακαδημαϊκής κοινότητας

Η έρευνα στους κβαντικούς υπολογιστές δεν περιορίζεται μόνο στα ερευνητικά κέντρα των πανεπιστημίων. Μεγάλες εταιρείες τεχνολογίας, όπως η Google, η IBM, η Microsoft και η D-Wave, επενδύουν δισεκατομμύρια δολάρια στην ανάπτυξη κβαντικών συστημάτων. Πρόκειται για ένα πεδίο ανταγωνισμού όπου κάθε καινοτομία μπορεί να φέρει τεράστιο πλεονέκτημα. Ταυτόχρονα, προγράμματα από κυβερνήσεις και διεθνείς οργανισμούς στοχεύουν στην ενίσχυση της έρευνας, την εκπαίδευση νέων επιστημόνων και τη διεύρυνση της συνεργασίας μεταξύ ακαδημαϊκών και βιομηχανίας. 

Η ακαδημαϊκή κοινότητα, από την άλλη, επικεντρώνεται σε πιο θεωρητικές πτυχές: νέα υλικά για qubit, καλύτεροι αλγόριθμοι κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων, αλλά και νέες μαθηματικές μέθοδοι για την κβαντική πληροφορική. Αυτή η σύζευξη βιομηχανίας-ακαδημαϊκής κοινότητας είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν ταχύτατες πρόοδοι, καθώς το πεδίο είναι εξαιρετικά διεπιστημονικό, συνδυάζοντας τη φυσική, τα μαθηματικά, τη χημεία, την επιστήμη υπολογιστών και την υλικοεπιστήμη. 

Στο μέλλον ένα επί πλέον εργαλείο

Είναι σημαντικό να τονίσουμε πως, παρά τις υποσχέσεις, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν αποτελούν πανάκεια. Δεν θα λύσουν όλα τα προβλήματα της ανθρωπότητας, δεν θα αντικαταστήσουν πλήρως τους κλασικούς υπολογιστές και, τουλάχιστον στο ορατό μέλλον, δεν θα γίνουν καθημερινές συσκευές για τον μέσο χρήστη. Αντίθετα, θα πρέπει να σκεφτούμε τους κβαντικούς υπολογιστές ως ένα πανίσχυρο νέο εργαλείο στην εργαλειοθήκη της πληροφορικής. Όπως κάποτε οι υπερυπολογιστές έφεραν επανάσταση σε επιστημονικούς υπολογισμούς, έτσι και οι κβαντικοί υπολογιστές θα ανοίξουν νέους δρόμους σε τομείς που μέχρι πρόσφατα ήταν απρόσιτοι. 

Ένα πιθανό σενάριο είναι ότι, μέσα στα επόμενα χρόνια, θα έχουμε πρόσβαση σε κβαντικούς υπολογιστές μέσω του cloud. Οι προγραμματιστές και οι ερευνητές θα μπορούν να χρησιμοποιούν κβαντικούς πόρους για συγκεκριμένα προβλήματα, ενώ οι περισσότερες εφαρμογές θα συνεχίζουν να εκτελούνται σε κλασικούς υπολογιστές. Αυτό το υβριδικό μοντέλο, όπου κλασικός και κβαντικός υπολογισμός συνεργάζονται, ίσως αποδειχθεί και το πιο παραγωγικό μοντέλο εξέλιξης. 

Συναρπαστικές δυνατότητες, αλλά μακρύς δρόμος μπροστά

Η κβαντική υπολογιστική είναι πραγματικότητα και έχει ήδη περάσει από το στάδιο της θεωρίας στην πρακτική — έστω και σε πειραματική — εφαρμογή. Δεν αποτελεί όμως μια μαγική λύση, ούτε μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως τα κλασικά συστήματα. Αντίθετα, η δύναμή της βρίσκεται σε συγκεκριμένες περιοχές υψηλού αντικτύπου, όπου οι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν να προσφέρουν τεράστια υπολογιστικά πλεονεκτήματα. 

Καθώς οι ερευνητές βελτιώνουν τα συστήματα κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων, σχεδιάζουν καλύτερους αλγόριθμους και ανακαλύπτουν νέα υλικά για qubit, τα εμπόδια βαθμιαία μειώνονται. Είμαστε ακόμη μακριά από τη στιγμή που ένας κβαντικός υπολογιστής θα λύσει αβίαστα τεράστια προβλήματα του πραγματικού κόσμου. Ωστόσο, οι πρώιμες εφαρμογές στον τομέα της Τεχνητής Νοημοσύνης, της ανακάλυψης φαρμάκων, της ενεργειακής καινοτομίας και της βελτιστοποίησης πολύπλοκων συστημάτων δείχνουν την κατεύθυνση προς την οποία κινείται το πεδίο. 

Με άλλα λόγια, η κβαντική υπολογιστική δεν είναι ούτε ουτοπία ούτε απλή φιλοδοξία. Είναι ένας εξελισσόμενος τομέας, γεμάτος προκλήσεις αλλά και ευκαιρίες. Η επίτευξη της «κβαντικής υπεροχής» για συγκεκριμένες εφαρμογές ήταν ένα σημαντικό συμβολικό ορόσημο, μα η πορεία προς ένα γενικού σκοπού, αξιόπιστο, μεγάλης κλίμακας κβαντικό μηχάνημα παραμένει μακρά. 

Σε τελική ανάλυση, η κβαντική υπολογιστική δεν θα αντικαταστήσει την κλασική, αλλά θα την συμπληρώσει, επεκτείνοντας δραστικά το πεδίο των επιλυσιμόμενων προβλημάτων και αναβαθμίζοντας τις δυνατότητές μας στην επιστήμη, την τεχνολογία και την καινοτομία. Οι δυνατότητες είναι συναρπαστικές — και, όπως όλα δείχνουν, θα συνεχίσουν να μεγαλώνουν μέρα με τη μέρα.