Στην τροπική Σιγκαπούρη, σε απόσταση άνω των 9.200 χιλιομέτρων από την Ελλάδα, μια ομάδα αποφοίτων ελληνικών πανεπιστημίων, από κοινού με ερευνητές άλλων εθνικοτήτων, εργάζεται το τελευταίο έτος πάνω στις τεχνολογίες εκείνες, που στα αμέσως επόμενα χρόνια αναμένεται να αναβαθμίσουν σημαντικά τις υπολογιστικές δυνατότητες της ανθρωπότητας και να δημιουργήσουν νέα δεδομένα στα πάντα: από την οικονομία, την ενέργεια και το περιβάλλον, μέχρι την εφοδιαστική αλυσίδα, την τεχνητή νοημοσύνη και την κυβερνοασφάλεια.
Ο λόγος για τις τεχνολογίες κβαντικής υπολογιστικής και τους Έλληνες που εργάζονται στη νεοσύστατη εταιρεία «AngelQ Quantum Computing», επιχειρηματικό «παιδί» του Κρητικού επιστήμονα Δημήτρη Αγγελάκη, έναν από τους ανθρώπους που -σε συνεργασία με τη Google- συνέβαλαν στη δημιουργία της «κβαντικής πεταλούδας», επισκέπτη- κύριο ερευνητή στo Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών (CQT) της Σιγκαπούρης και αναπληρωτή καθηγητή στο Πολυτεχνείο Κρήτης.
Μπορεί οι θεωρητικές έννοιες της κβαντικής υπολογιστικής να ακούγονται ακατάληπτες στους περισσότερους, αλλά η εφαρμογή τους στην πράξη «μιλάει» άριστα τη γλώσσα των πραγματιστών. Οι παγκόσμιες (δημόσιες και ιδιωτικές) επενδύσεις στον χώρο της κβαντικής υπολογιστικής εκτιμάται ότι υπερβαίνουν σήμερα τα 25 δισ. δολάρια ετησίως, καθώς κυβερνήσεις και επιχειρήσεις διαγκωνίζονται για να αποκτήσουν προβάδισμα σε αυτόν τον τομέα.
Στη νοτιοανατολική Ασία, η Σιγκαπούρη επενδύει αδρά τόσο στην έρευνα, όσο και στην εκπαίδευση στο συγκεκριμένο πεδίο. Σε αυτό το γόνιμο έδαφος, ο Δημήτρης Αγγελάκης έγινε αρχικά …«CQTian» -όπως αποκαλούνται (κατά το …«Googler») οι εργαζόμενοι στο CQT- και στη συνέχεια ίδρυσε (ως «τεχνοβλαστό» του CQT) τη δική του εταιρεία, την «AngelQ», στην οποία στο εγγύς μέλλον αναμένεται να απασχολούνται και φοιτητές και φοιτήτριες από την Ελλάδα, για την εκπόνηση των διπλωματικών εργασιών τους στην κβαντική υπολογιστική.
Το ΑΠΕ-ΜΠΕ συζήτησε με τον γεννηθέντα το 1975 Δημήτρη Αγγελάκη, με την ευκαιρία του 7ου Οικονομικού Φόρουμ των Δελφών, για τα επόμενα μεγάλα άλματα στην κβαντική υπολογιστική, την εκθετική αύξηση υπολογιστικών δυνατοτήτων, που αναμένεται να προσφέρει στην ανθρωπότητα το quantum computing, μειώνοντας σε λεπτά ή ώρες τον χρόνο μηνών ή και ετών, που απαιτείται σήμερα για την εξεύρεση λύσεων σε συγκεκριμένα προβλήματα, αλλά και για τα unhackable (αδύνατο να χακαριστούν) συστήματα επικοινωνίας, που εγγυάται η κβαντική κρυπτογραφία.
Η Ελλάδα μπορεί να γίνει κόμβος ανάπτυξης κβαντικού λογισμικού
Κατά τον Δημήτρη Αγγελάκη, η ανάπτυξη της κβαντικής υπολογιστικής διανοίγει σημαντικές ευκαιρίες και για την Ελλάδα: «Η Αμερική και η Ευρώπη ήταν και είναι πρωτοπόρες στη κβαντική υπολογιστική, με τις χώρες Κίνα, Ιαπωνία, Αυστραλία και Σιγκαπούρη να ακολουθούν από κοντά. Η Κίνα ιδιαίτερα έχει επενδύσει τεράστια ποσά τα τελευταία χρόνια, ιδιωτικά και δημόσια, για την ανάπτυξη κβαντικού hardware (υλισμικού) και software (λογισμικού), και βρίσκεται πλέον πολύ κοντά στη Δύση.
Η Ελλάδα έχει τη δυνατότητα να γίνει κόμβος ανάπτυξης κβαντικού λογισμικού για την ευρύτερη περιοχή της Νοτιοανατολικής Ευρώπης, αν γίνουν οι κατάλληλες επενδύσεις και υπάρξει η σωστή υποστήριξη. Υπάρχει πολύ καλό δυναμικό ανάμεσα στους φοιτητές και ερευνητές μας σε πανεπιστήμια και ερευνητικά ιδρύματα, οι οποίοι με ένα οργανωμένο πρόγραμμα εκπαίδευσης, και σε συνδυασμό με την προσέλκυση έμπειρων συναδέλφων από το εξωτερικό, θα μπορούσαν να κάνουν την Ελλάδα “the go to place for quantum software development and applications” (“το μέρος για να πάει κάποιος για ανάπτυξη και χρήση κβαντικού λογισμικού και εφαρμογών”), στην περιοχή μας. Αυτό προφανώς θα είχε θετικό αντίκτυπο στην οικονομία αλλά και στο brain regain, για το οποίο όλοι μιλάμε τελευταία» λέει χαρακτηριστικά.
Όταν η βιομηχανία ζητά επιμόνως κβαντικό λογισμικό και η κβαντική υπολογιστική «συμπυκνώνει» χρόνια σε λίγες ημέρες
Το επόμενο μεγάλο άλμα στην κβαντική υπολογιστική, εκτιμά ο κ.Αγγελάκης, αναμένεται σε δύο τομείς: στο κβαντικό software και hardware. «Στο κβαντικό hardware αναμένεται το πέρασμα από μερικές εκατοντάδες qubits* σε μερικές χιλιάδες, σε συνεργασία πλέον με τη βιομηχανία παραγωγής κλασικών τσιπ. Τα τελευταία χρόνια ήδη γινόμαστε μάρτυρες του λεγόμενου “Κβαντικού Νόμου του Μουρ”, του διπλασιασμού δηλαδή του αριθμού των λειτουργικών qubits, περίπου κάθε διετία-τριετία.
Αυτό έχει οδηγήσει σε λειτουργικά κβαντικά τσιπ 100 και πλέον qubits. Τον Οκτώβριο του 2019, και πιο πρόσφατα το 2021, η Google και μια ομάδα στο κινεζικό πανεπιστήμιο USTC στη Χεφέι κατασκεύασαν και “έτρεξαν” σε μερικές ώρες μαθηματικούς αλγορίθμους σε υπεραγώγιμα και φωτονικά κβαντικά τσιπ, που θα έπαιρναν εκατοντάδες ή και χιλιάδες χρόνια για να “τρέξουν” στους ταχύτερους κλασικούς υπολογιστές που έχουμε τώρα. Οι αλγόριθμοι αυτοί για την ώρα δεν έχουν πρακτικές εφαρμογές, αλλά μέσα στην επόμενη τριετία αυτό αναμένεται να αλλάξει» επισημαίνει.
Το δεύτερο άλμα, εξίσου σημαντικό, είναι στο κβαντικό software και στους αλγορίθμους, λέει κι εξηγεί ότι η ανάγκη για λειτουργικό και εύκολο στην χρήση κβαντικό software είναι τεράστια σε πολλούς τομείς της οικονομίας: «πολλές εταιρείες, βιομηχανίες και τράπεζες ζητούν λειτουργικό κβαντικό software, που θα τους επιτρέπει τη χρήση των κβαντικών υπολογιστών, που πλέον είναι διαθέσιμοι στο υπολογιστικό νέφος από εταιρείες όπως οι ΙΒΜ και Google, με στόχο τη δημιουργία καλύτερων υπηρεσιών ή προϊόντων.
Ο σχεδιασμός τέτοιου λογισμικού απαιτεί βαθιά γνώση πεδίου και τη σύνδεση των παραδοσιακών τρόπων και γλωσσών προγραμματισμού με την κβαντική υπολογιστική. Υπάρχει τεράστιο ενδιαφέρον για κβαντικό software βελτιστοποίησης, με εφαρμογές στην οικονομία (portofolio optimization, ανάλυση κινδύνου κ.α.), στην εφοδιαστική αλυσίδα, στο περιβάλλον, στην ενέργεια και στην κβαντική μηχανική μάθηση. Στις παραπάνω περιοχές δραστηριοποιούνται οι ερευνητικές μου ομάδες σε Ελλάδα και Σιγκαπούρη, αλλά και η νεοσύστατη εταιρεία AngelQ».
Οι κβαντικοί υπολογιστές θα χρησιμοποιούν έως και εκατομμύρια φορές λιγότερη ενέργεια από ένα data center και θα είναι εκατομμύρια φορές πιο γρήγοροι
Η κβαντική υπολογιστική δίνει στην ανθρωπότητα τη δυνατότητα να αυξήσει σε πρωτοφανή επίπεδα τις υπολογιστικές δυνατότητές της. Ποια είναι η πιο σημαντική νέα πόρτα που μπορεί να ανοίξει η μαζική χρήση της; «Υπάρχουν πολλά προβλήματα στην oικονομία, τη λειτουργία των πόλεων, τη χημεία και τη βιολογία, στον σχεδιασμό φαρμάκων, εμβολίων, καινούργιων υλικών για το Διάστημα, στην πρόγνωση του καιρού και στο περιβάλλον, που θεωρούμε άλυτα ή παίρνουν απαγορευτικά πολύ χρόνο -μήνες ή και δεκαετίες- για να επιλυθούν στους καλύτερους υπερ-υπολογιστές μας.
Ένας λειτουργικός κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να μικρύνει τους χρόνους προσομοίωσης από μήνες σε λεπτά ή ώρες. Π.χ., στη διαχείριση, αποθήκευση και κατανομή ενέργειας, πρόβλημα ιδιαίτερα επίκαιρο, οι κλασικοί υπολογιστές υστερούν σημαντικά, όπως και στη λύση προβλημάτων βελτιστοποίησης στην οικονομία, την εφοδιαστική αλυσίδα, στην ναυτιλία και τη μηχανική μάθηση στην ιατρική και τη βιολογία. Η διαχείριση του όγκου των δεδομένων και των πιθανών μεταβλητών σε κάθε πρόβλημα απαιτεί μέρες ή εβδομάδες ή μήνες, ακόμα και στα μεγαλύτερα data centers.
Η ανάπτυξη ενός καινούργιου φαρμάκου ή εμβολίου παίρνει ακόμα χρόνια, και ένα από τα κύρια bottlenecks (κωλύματα) είναι η έλλειψη υπολογιστικής δύναμης επεξεργασίας όλων των παραμέτρων και δοκιμών που πρέπει να γίνουν. Επίσης η κατανάλωση ενέργειας αυτών των data centres είναι απαγορευτική. Ένα τέτοιο κέντρο μπορεί να καταναλώνει ενέργεια όσο μια μικρή πόλη και παράγει τεράστια ποσά θερμότητας. Οι κβαντικοί υπολογιστές λόγω του κβαντικά εκθετικού τρόπου επεξεργασίας της πληροφορίας, δεν έχουν αυτό το πρόβλημα και λειτουργούν με χιλιάδες ή και εκατομμύρια φορές χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, ανάλογα το πρόβλημα» σημειώνει.
«Σαν να ζητούσαμε από τον Στιβ Τζομπς να προβλέψει τη δημιουργία του iphone το 1976»
Πώς θα επηρέαζε τα παγκόσμια επιχειρηματικά μοντέλα η μαζική αντικατάσταση της συμβατικής τεχνολογίας με κβαντική; «Η ειλικρινής απάντηση εδώ είναι ότι πραγματικά δεν έχω ιδέα (γελάει)! Τα τεχνολογικά και επιχειρηματικά μοντέλα που θα προκύψουν από το πάντρεμα των δυο μεγαλύτερων επινοήσεων του ανθρώπινου νου, της κβαντικής φυσικής και της επιστήμης της πληροφορίας, είναι δύσκολο να προβλεφθούν. Είναι σαν να ζητούσαμε από τον (πατέρα της θεωρίας του ηλεκτρομαγνητισμού) Michael Faraday να προβλέψει τις ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές του 20ου αιώνα ή από τον Steve Jobs να προβλέψει το iphone το 1976, όταν έφτιαξε τον Apple I!
H διαφορά είναι ότι τώρα δεν θα πάρει δεκαετίες (για να δούμε τις εξελίξεις), αλλά χρόνια, λόγω της ταχύτητας εξέλιξης της κβαντικής τεχνολογίας» επισημαίνει, ενώ ως προς το αν η κβαντική πληροφορική μπορεί να βοηθήσει στην κυβερνοασφάλεια και να διασφαλίσει unhackable συστήματα επικοινωνίας σχολιάζει: «Η κβαντική κρυπτογραφία κάνει ακριβώς αυτό, εγγυάται το unhackable των συστημάτων επικοινωνίας. Σε ένα κβαντικό σύστημα οι πληροφορίες που θέλουμε να επικοινωνήσουμε δεν μπορούν να αντιγραφούν χωρίς να γίνει αντιληπτή η προσπάθεια κατασκοπείας λόγω των αρχών της Κβαντομηχανικής».
Ποια μπορεί να είναι η χαρακτηριστική εικόνα του μελλοντικού τρόπου λειτουργίας μιας πόλης στην εποχή της ανεπτυγμένης πλέον χρήσης της κβαντικής φυσικής, μηχανικής και υπολογιστικής; «Εδώ μάλλον χρειαζόμαστε τη βοήθεια της επιστημονικής φαντασίας, ίσως κάποιου κβαντικού Ισαάκ Ασίμοφ! Το μόνο σίγουρο είναι ότι δεν θα έχει καμία σχέση με το τώρα. Μπορείτε να φανταστείτε επεξεργασία δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και εφαρμογές στην Τεχνητή Νοημοσύνη, φάρμακα, υπηρεσίες και προϊόντα σχεδιασμένα και βελτιστοποιημένα με βάση το προφίλ του πολίτη, λυμένο κυκλοφοριακό και ενεργειακό, πρόβλεψη καιρού σε βάθος μηνών κτλ» απαντά.
Πώς ένιωσε όταν αντίκρισε για πρώτη φορά την κβαντική πεταλούδα;
«Η κβαντική πεταλούδα ήταν το αποτέλεσμα της δεύτερης συνεργασίας μας με την Google και το επιστέγασμα δουλειάς μιας δεκαετίας, από την εποχή που ήμουν στο Κέιμπριτζ τη δεκαετία του 2000-10. Σχεδιάζοντας αλγορίθμους για τα πρότυπα τσιπάκια της Google τότε, που είχαν περίπου δέκα qubits, δείξαμε ότι μπορούμε να προσομοιώσουμε, και έτσι να κατανοήσουμε καλύτερα, πολύπλοκες διεργασίες σε προηγμένα υλικά, με απώτερο σκοπό την ελαχιστοποίηση των απωλειών στην μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας.
Η κβαντική πεταλούδα ήταν η επιβεβαίωση της πρόβλεψης του αλγορίθμου μας για τις ενεργειακές καταστάσεις των ηλεκτρονίων μέσα στα αυτά τα σύνθετα υλικά και ήταν από τις πρώτες φορές που έγινε πραγματικότητα στο εργαστήριο. Σχετικά με το συναίσθημα της στιγμής… Η εξωτική της ομορφιά -είναι πραγματικά μια κβαντική πεταλούδα ενεργειών- είναι σίγουρα κάτι που μένει στην μνήμη κάποιου, ιδιαίτερα αν έχει συμβάλει στην δημιουργία της» καταλήγει._
*Στους κλασικούς υπολογιστές η μονάδα πληροφορίας είναι το bit. Στους κβαντικούς υπολογιστές μονάδα πληροφορίας είναι το κβαντικό bit (quantum bit ή qubit).
ΑΠΕ-ΜΠΕ / Αλεξάνδρα Γούτα
