THMMY.gr

http://portal.kathimerini.gr/4dcgi/_w_articles_kathworld_1_22/03/2011_384023

Το «κβαντικό» μέλλον των ηλεκτρονικών υπολογιστών
Ένα βήμα πιο κοντά στον κβαντικό υπολογιστή, χάρη στη δουλειά της American Physical Society.


Ένα πολύ σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση του κβαντικού υπολογιστή έκανε η American Physical Society σε συνάντηση στο Ντάλας, όπου παρουσίασε ένα τσιπ 6x6 εκατοστών, εφοδιασμένο με εννέα κβαντικές «συσκευές», στις οποίες συμπεριλαμβάνονται τέσσερα qubits, που κάνουν τους απαραίτητους υπολογισμούς.

Το τσιπ χρησιμοποιεί τις «παράξενες» κβαντικές καταστάσεις της ύλης για να κάνει υπολογισμούς, πιάνοντας ταχύτητες που αφήνουν πολύ πίσω τους «συμβατικούς» υπολογιστές.

Σύμφωνα με την ομάδα που έκανε την παρουσίαση, εντός του έτους θα είναι δυνατή η αύξηση των δυνατοτήτων του τσιπ, καθώς τα qubits μπορούν να φτάσουν τα δέκα.

Η βασική διαφορά με τα 1 και 0 του δυαδικού κώδικα που αποτελούν τη βάση της τεχνολογίας των σημερινών ηλεκτρονικών υπολογιστών είναι ότι οι κβαντικές καταστάσεις της ύλης μπορούν να «αναπαραστήσουν» ταυτόχρονα τόσο το 1 όσο και το 0. Πρακτικά, αυτό σημαίνει πως αυξάνεται δραματικά ο αριθμός των εκτελουμένων υπολογισμών.

«Είναι συναρπαστικό το γεγονός πως βρισκόμαστε σε ένα σημείο όπου μπορούμε να αρχίσουμε να μιλάμε για την αρχιτεκτονική που πρέπει να ακολουθηθεί εάν είναι να στήσουμε ένα κβαντικό υπολογιστή» είπε σχετικά ο Έρικ Λουκέρο, του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια- Σάντα Μπάρμπαρα.

Η βασική καινοτομία της ομάδας ήταν η εύρεση ενός τρόπου να «αποσυνδεθούν» οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων ενός κβαντικού κυκλώματος. Οι κβαντικές καταστάσεις είναι εξαιρετικά ευαίσθητες, οπότε οι χειρισμοί τους πρέπει να γίνονται και να αποθηκεύονται χωρίς να καταστρέφονται.

Η «λύση» ήρθε με τη μορφή της αποκαλούμενης RezQu αρχιτεκτονικής, που αποτελεί ουσιαστικά ένα σχέδιο κβαντικού υπολογιστή. Το βασικό της πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα αύξησης κλίμακας, κάτι που μπορεί να επιτρέψει την κατασκευή πολύ πιο σύνθετων κυκλωμάτων. «Για μένα είναι πολύ καλό αυτό, έτσι ξέρω πώς θα μπορέσω να τα συναρμολογήσω» είπε σχετικά ο Τζων Μαρτίνις, ο οποίος και ηγήθηκε της ερευνητικής ομάδας.

«Υπάρχουν και άλλες, ανταγωνιστικές αρχιτεκτονικές, όπως η παγίδευση ιόντων- ουσιαστικά το 'πιάσιμο' ιόντων με λέηζερ, αλλά στη συγκεκριμένη περίπτωση απαιτείται να έχεις ένα τεράστιο δωμάτιο γεμάτο με κατόχους PhD, απλά και μόνο για να χειρίζονται τα λέηζερ!» σχολίασε ο Λουκέρο, συμπληρώνοντας πως «βρισκόμαστε πλέον ακριβώς στο σημείο πριν να μπορέσουμε να πούμε πως έχουμε έναν κβαντικό επεξεργαστή».

Τρέμετε προγραμματιστάκοι, σε λίγο δεν θα μας νοιάζει ο καλογραμμένος κώδικας.Θα έχουμε τέτοιο raw power (και δυνατότητα unbreakable κρυπτογράφισης) ώστε και ο χειρότερος κώδικας να πάει γαμιώντας.

Και γαμιώντας να πάει, πρέπει να στηρίζεται σε ορισμένες βασικές αρχές προγραμματισμού που δεν έχουν να κάνουν αποκλειστικά με την χρονική απόδοση , όπως εύκολη συντήρηση, επεκτασιμότητα κτλ.
Απλά θα πάψουν να ασχολούνται με χρονικές πολυπλοκότητες.

Δες,όλα τα προβλήματα του προγραμματισμού υπάρχουν γιατί προσπαθούμε να βρούμε αλγόριθμους που να κάνουν την δουλειά μας καλύτερα.

Πχ το πρόβλημα της συντήρησης είναι τα bugs που θα πετάγονται όταν κάνεις upgrade κάποιο component. Αν όμως έχεις άπειρη raw power, δεν σε νοιάζει καθόλου να κάνεις upgrade ένα component,αλλά ακόμα και να το κάνεις δεν υπάρχει πρόβλημα συμβατότητας αν ο αλγόριθμος σου είναι "καθαρός". Για παράδειγμα, το πιο συχνό bug είναι το stack overflow. Αν όμως έχουμε άπειρο raw power , δεν χρειάζεται να γράφουμε αλγόριθμους για "γρήγορη" αναζήτηση(quicksort και αηδίες), θα μπορούμε να κάνουμε brute force sort, η οποία δεν πετάει ποτέ και σε καμία περίπτωση error. Ομοίως και για την σχεδίαση για επεκτασιμότητα.

Γενικά ναι,κάποιες αρχές του προγραμματισμού θα μείνουν, αλλά (φαντάζομαι) δεν θα είναι κάτι που δεν μπορεί να μάθε κάποιος σε 1-2-3 εξάμηνα(ενώ τώρα θέλεις πολλά χρόνια δουλειάς για να αρχίσεις να καταλαβαίνεις πως να γράφεις καλό κώδικα)

Το θέμα είναι ότι κυνηγάμε πάντα το καλύτερο

Οπότε και περισσότερη επεξεργαστική ισχύ να έχουμε θα μπορεί πάντα ο άλλος να λέει "με τον αλγόριθμό μου όμως έχεις 1.2 φορες την αρχική ταχύτητα, άρα μπορείς να κάνεις περισσότερες πράξεις στον ίδιο χρόνο". Και η ταχύτητα που θα μας προσφέρουν θα είναι μεν μεγάλη αλλά ποτέ δε θα είναι αρκετή.

αν σταματήσουμε να κυνηγάμε το καλύτερο, τότε δεν αξίζουμε σαν άνθρωποι και επιστήμονες. Τι θα μένει να κάνουμε; απλώς να επιβιώνουμε;

Έχεις δίκιο, αλλά εγώ αναφέρομαι πχ στον αντικεινομενοστραφή προγραμματισμό ο οποίος αποτελεί "φιλοσοφία" ανεξάρτητη από την ταχύτητα εκτέλεσης του προγράμματος και απαιτεί χρόνο και εμπειρία για να μπει κανείς στη λογική του.

Κάτσε,αν καταφέρουμε όντως να χτίσουμε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή και δεν πέσουμε πάνω σε παράξενα φαινόμενα που δεν μπορούμε να τα προβλέψουμε τώρα, η θεωρία μας λέει ότι μπορούμε να κάνουμε όσο μεγάλο chip θέλουμε χωρίς κανέναν πρόβλημα(το entaglement εγγυάται πραγματικά άμεση απόκριση, ενώ στο πυρίτιο όσο μεγαλώνουμε το ολοκληρώμενο εμφανίζονται ανυπέρβλητα προβλήματα στις υψηλές συχνότητες). Άρα μπορούμε σε ένα κουτάκι μεγέθους 1x1x1 cm να έχουμε ισχύ ΠΟΛΛΕΣ τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή που έχουμε τώρα,και άρα τα προβλήματα μας να λύνονται σε χρόνο dt. Ακόμη και τα πιο χαοτικά γεγονότα(πχ ο καιρός) θα υπολογίζονται με πολύ μεγάλη ακρίβεια σε ελάχιστα μς. Γιατί λοιπόν να γίνει έρευνα και να ξοδευτούν εργατοώρες? Για να ρίξουμε την τάξη μεγέθους από μερικά μς σε μερικά ns? Μα αυτό(ίσως πλην πραγματικά ελαχίστων εξαιρέσεων) δεν μας νοιάζει.

Βέβαια,υπάρχει και η (πολύ σωστή άποψη κατ'εμέ) ότι αφού λύσουμε αυτά τα προβλήματα που μας φαίνονται ανυπέρβλητα τώρα, θα μας δημιουργηθούν άλλα(τα οποία μπορούν να "δυσκολέψουν" ακόμα και έναν κβαντικό υπολογιστή). Απλά τα προβλήματα αυτά νομίζω πως δεν θα είναι πρακτικής φύσης, αλλά θα ικανοποιούν την όρεξή μας να μαθαίνουμε περισσότερα για το σύμπαν που ζούμε.  Άρα οι απαραίτητοι προγραμματιστές ανά την υφήλιο θα γίνουν από μερικά εκατομμύρια λίγες χιλιάδες(τυχαίο νούμερο)

@emfa:

Αυτό σου γραψα παραπάνω. Το να μάθεις την λογική του Object Oriented Programming δεν είναι τίποτα το δύσκολο. Το να γράφεις καλό κώδικα OOP ,δηλαδή να μπορείς να δώσεις απάντηση πχ στον αριθμό των κλάσεων,στις μεταξύ τους σχέσεις κτλ είναι πρόβλημα που υπάρχει γιατί πολύ απλά δεν έχεις άπειρα resources και πρέπει να κάνεις διάφορα trade-offs.

Απαντάς στον εαυτό σου και κατά τη γνώμη μου πολύ σωστά.
Είμαστε ακριβώς στην ίδια καμπή όπως πριν 20 χρόνια,
όταν οι υπολογιστές είχαν 4ΚΒ ΡΑΜ.
Αν τότε έλεγες σε έναν προγραμματιστή θα σου δώσω 4γίγα
( η διαφορά είναι εξωφρενική, έτσι )
θα σου έλεγε και τι να τα κάνουμε να λύσουμε το μπνκ μπάνγκ;
Να όμως που και αυτά πλέον δεν φτάνουν.

Το ίδιο θα συμβεί και αργότερα.
Το είχα διαβάσει κάπου και το αναπαράγω.
Οι χρήστες έχουν την τάση να γεμίζουν όσους πόρους τους δίνεις.

Όχι, από το 1980 ένας προγραμματιστής θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει 4gb μνήμη για να λύσει ένα πρόβλημα πχ ταξινόμησης 100 δισεκατομυρίων κλειδιών. Το ζήτημα είναι ότι με τα δεδομένα της εποχής δεν νοούνταν τέτοια τάξη μεγέθους, γιατί μόλις λίγα εκατομμύρια άνθρωποι είχαν έστω μια στοιχειώδη επαφή με ηλεκτρονικό υπολογιστή.

Εν τέλει άμα δεις, η πρόοδος(σε flops) από εποχής pentium 1 μέχρι τώρα(μιλάμε για 15 χρόνια) είναι x100?? Άντε x200. Η μετάβαση από κλασικό υπολογιστή σε κβαντικό θα δώσει πολλές χιλάδες περισσότερα flops, και συν τοις άλλοις οι κβαντικοί αλγόριθμοι "από την μάνα τους" έχουν χαμηλότερες πολυπλοκότητες από τους κλασικούς.

Για παράδειγμα, από το 1980 ξέραμε πως να κάνουμε render κάτι super-duper ρεαλιστικά. Το ray tracing το ξέραμε το 1980. Βάλε άπειρα πολύγωνα, άπειρα rays και tadaaaaaa έχεις μια τέλεια απεικόνιση του μοντέλου στην οθόνη. Το θέμα ήταν ότι τότε δεν μπορούσαμε να κάνουμε render ούτε καν γραφικά επιπέδου doom! Ομοίως, όταν βγήκε το 56k modem δεν πίστευε κανείς ότι μετά από 10 χρόνια θα έχουμε 1900p. Πλεόν όμως φτάνουμε σε ένα επίπεδο που το dot pitch είναι τόσο μικρό, ώστε το μάτι οριακά μπορεί να διακρίνει τα μεμονομένα pixels. Δηλαδή,φτάνουμε πλέον και σε φυσικούς περιορισμούς.

tilep eisai esy?

Δεν κατάλαβα που το πας. Ότι η επιπλέον επεξεργαστική ισχύς είναι ουσιαστικά άχρηστη;

Πάντως οι κβαντικοί υπολογιστές, εάν υλοποιηθούν τελικά, κρύβουν μια σημαντική παγίδα.
Δεν γνωρίζω εάν υπάρχει κάποια εξέλιξη τα τελευταία χρόνια, αλλά το σύστημα ασφαλείας του ίντερνετ
με την υποδομή public-private key είναι δομημένο στην αδυναμία της σημερινής  επεξεργαστική ισχύος
να αποκωδικοποιήσει το κλειδί σε πρακτικά πεπερασμένο χρόνο.
Με την έλευση ενός κβαντικού υπολογιστή, το να σπάσεις έναν τέτοιο κώδικα καθίσταται παιχνιδάκι.

Λέω ότι ακόμα και το 1980 ξέραμε πως να κάνουμε render super ρεαλιστικά μερικά πράματα, αλλά ούτε το σκεφτόμασταν να το υλοποιήσουμε. Αν δηλαδή τότε(και τώρα) έχουμε έναν αλγόριθμο πολυπλοκότητας Θ(n^4) δεν σκεφτόμαστε καν να τον τρέξουμε για n>100-1000. Πλέον με τον κβαντικό υπολογιστή αυτό θα είναι παιχνιδάκι.

Όσο γι'άυτά που λες για την κρυπτογράφιση, όντως το private-public key θα σπάσει κατευθείαν,αλλά υπάρχει κβαντική μέθοδος κρυπτογράφισης η οποία(θεωρητικά) δεν μπορεί να σπάσει.

Σε αυτό έχεις δίκιο αλλά από όσο γνωρίζω στηρίζεται στο entanglement,
το οποίο δεν ξέρω εάν έχουν βρει πως θα το εφαρμόσουν
σε πραγματικά-πρακτικά προβλήματα μετάδοσης πληροφορίας στο ίντερνετ,
πέρα από εργαστηριακά πειράματα πάνω σε μεμονωμένα σωματίδια (κυρίως ηλεκτρόνια).

deleted

den programmatizoume mono gia na kanoume pragmata grigorotera.

den einai mono to time/space efficiency pou metraei, yparxoun kai paragontes pou den epireazontai apo tin ypologistiki isxy..

όπως;

deleted

Πάντα υπάρχει tradeoff ανάμεσα στην απόδοση, στην κατανάλωση ισχύος(και κατά συνέπεια στο μέγεθος και στην πολυπλοκότητα του chip)

Τα embedded systems είναι αλλουνού παπά ευαγγέλιο. Αν βρούμε quantum pc το οποίο λειτουργεί σε συνθήκες δωματίου, και αυτός ο κλάδος θα καταργηθεί(αυτό το αν όμως... είναι λίγο μεγάλο).

Πάντως για το dvd player που λες μεγάλο ρόλο παίζουν οι μονοπωλιακές τακτικές της κάθε εταιρείας(regions, drm's και δεν συμμαζεύεται). Αν δεν υπήρχαν τέτοιες αηδίες θα μπορούσες και εσύ να σχεδιάσεις dvd/blue ray player.

Η διαφορά του κβαντικού υπολογιστή από τον κλασικό δεν είναι η μεγαλύτερη επεξεργαστική ισχύς. Ο κβαντικός υπολογιστής έχει διαφορετικές αρχές λειτουργίας (λόγω της "ιδιάζουσας" συμπεριφοράς των κβάντων σε αντίθεση με τα μακροσκοπικά αντικείμενα) που μπορούν να τον καταστήσουν πολύ γρηγορότερο σε ορισμένες κατηγορίες προβλημάτων και άχρηστο σε άλλες.

Το ότι βασίζεται σε διαφορετικές αρχές σημαίνει ότι δε μπορείς "απλά" να πάρεις έναν κλασικό αλγόριθμο και να τον τρέξεις σε κβαντικό υπολογιστή. Εάν δε, πάρεις έναν κλασικό αλγόριθμο και τον προσαρμόσεις ώστε να τρέξει σε κβαντικό υπολογιστή (πάντα μπορεί να γίνει αυτό με μερικές προσθήκες) τότε ο κβαντικός υπολογιστής θα χρειαστεί συνολικά περισσότερα βήματα από τον κλασικό.

Όπου υπάρχει διαφορά στην ταχύτητα (για ορισμένα πάντα προβλήματα) αυτή προκύπτει από το γεγονός ότι στον κβαντικό υπολογιστή μπορείς να κάνεις πράγματα που δε γίνονται στον κλασικό. Με άλλα λόγια, θέλεις διαφορετικούς αλγορίθμους.

Τέλος, ο προγραμματισμός στον κβαντικό υπολογιστή είναι πολύ δυσκολότερος από ό,τι στον κλασικό, γιατί η καταστάσεις των Qbit περιγράφονται από μιγαδικά διανύσματα. Εκεί που στον κλασικό υπολογιστή δουλεύεις πχ σε ένα σύνολο Ν ακεραίων, στον κβαντικό θα έχεις να κάνεις με Ν-διάστατα μιγαδικά διανύσματα.

Πάντως και οι κλασικοί αλγόριθμοι δουλεύουν στον κβαντικό υπολογιστή αν τους τρέξεις πολλές φορές και μετά μετρήσεις τα (διαφορετικά) εν γένει αποτελέσματα των αλγόριθμων αυτών.

Ένα πρόβλημα είναι ότι δε μπορείς να κάνεις copy-paste έναν αλγόριθμο από κλασικό υπολογιστή σε κβαντικό γιατί ο κβαντικός υπολογιστής αδυνατεί να εκτελέσει οποιαδήποτε μη-αντιστρεπτή πράξη. Θα πρέπει να προνοήσεις για παραπάνω μνήμη και να προσθέσεις κάποια βήματα ώστε να γίνουν όλες οι πράξεις αντιστρεπτές. Η μεν προσθήκη βημάτων δεν είναι πρόβλημα, γιατί προσθέτει πολύ μικρή χρονική πολυπλοκότητα, όμως ο παραπάνω αποθηκευτικός χώρος (χωρική πολυπλοκότητα) μπορεί να είναι και απαγορευτικά μεγάλος. Δεδομένου μάλιστα ότι τα Qbit δε μας τρέχουν και από τα μπατζάκια (το ρεκόρ μέχρι σήμερα είναι... 9; :P), είναι μάλλον ποντιακό να χρησιμοποιήσεις τον κβαντικό υπολογιστή με αυτόν τον τρόπο.