Σε ένα από τα πολλά δωμάτια συσκέψεων του Quantum Lab της Microsoft στο Λίνγκμπι, μια μικρή κωμόπολη λίγο έξω από την Κοπεγχάγη, ο Νέιθαν Μπέικερ, επικεφαλής των κβαντικών εφαρμογών, εξηγεί σε μια ομάδα ευρωπαίων δημοσιογράφων γιατί τα qubits – η ελάχιστη μονάδα πληροφορίας των κβαντικών υπολογιστών – είναι θορυβώδη και άτακτα, άρα επιρρεπή σε λάθη.
Στη διαφάνειά του τα αναπαριστά με την ίδια σβούρα που χρησιμοποίησε ο σκηνοθέτης Κρίστοφερ Νόλαν στο «Inception» – και όχι τυχαία. Το τελευταίο πλάνο, με αυτή τη σβούρα να περιστρέφεται καθώς φαίνεται ότι χάνει την ισορροπία της, αποτελεί μέχρι σήμερα ένα από τα πλέον αμφίσημα κινηματογραφικά φινάλε, αλλά και μια αξιομνημόνευτη απεικόνιση του ρευστού και πολυδιάστατου χαρακτήρα της κβαντομηχανικής.
Κλάδος ραγδαία αναπτυσσόμενος
Η κβαντική υπολογιστική επιχειρεί να προσομοιώσει τις αρχές της κβαντομηχανικής σε υπολογιστικά συστήματα – ένα έργο απαιτητικό και κυρίως δύσκολο λόγω της ανεπάρκειας των κλασικών υπολογιστών. Παρ’ όλα αυτά, ο κλάδος είναι ανάμεσα στους πιο ραγδαία αναπτυσσόμενους, πραγματοποιώντας άλματα προόδου τα τελευταία χρόνια.
Μία από τις καινοτόμες εξελίξεις του χώρου ήταν η δημιουργία του Majorana 1, του πρώτου τσιπ κβαντικών υπολογιστών που λειτουργεί με τοπολογικούς πυρήνες qubits και το οποίο μπορεί να χωρέσει έως και 1 εκατομμύριο qubits – πρόοδος που αναμένεται να επιταχύνει σημαντικά τη μετάβαση της κβαντικής υπολογιστικής σε ερευνητικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. Τα νέα στο πεδίο της κβαντικής υπολογιστικής περιβάλλονται πάντα με ενθουσιασμό, διότι η αξιοποίηση των κβαντικών υπολογιστών θα προσφέρει λύσεις σε τομείς όπως η χημεία, η ιατρική, οι κατασκευές, τις οποίες αδυνατεί να δώσει η κλασική υπολογιστική.
Credits: Microsoft
«Xάρη στα τοπολογικά qubits θα χρειαστούμε απλώς μερικά χρόνια – και όχι δεκαετίες – για να περάσουμε στους υπολογισμούς μεγάλης κλίμακας» σημείωσε σε ερώτηση του «Βήματος» ο Τσέιταν Νάγιακ, επικεφαλής της έρευνας για το Majorana 1.
Ενας νέος κόσμος σε μερικά χρόνια
«Θα αλλάξει ο κόσμος» υπογράμμισε γλαφυρά ο Μπέικερ. Φανταστείτε λοιπόν κάτι τέτοιο να συμβαίνει κάτω από το διαμέρισμά σας – αυτή είναι η καθημερινότητα για όσους μένουν στο βοηθητικό κτίριο του Quantum Lab, εκεί όπου βρίσκονται δύο από τα εργαστήρια στα οποία κατασκευάζεται το Majorana 1.
Με την είσοδο της κβαντικής υπολογιστικής στην έρευνα, ζητήματα που χρειάζονταν χρόνια για να ερευνηθούν θα επιλύονται πλέον σε ορίζοντα μερικών εβδομάδων χάρη στην ισχύ των κβαντικών υπολογιστών. Η έρευνα για νέα φάρμακα θα επιταχυνθεί με ρυθμούς εκθετικούς, προσφέροντας λύσεις σε ανίατες έως τώρα ασθένειες. Στον χώρο της βιομηχανίας θα επιτευχθούν πιο καθαρές καύσεις, μειώνοντας σημαντικά και άμεσα τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Στη μετεωρολογία, θα υπάρχει δυνατότητα πρόγνωσης ακραίων καιρικών φαινομένων μήνες πριν αυτά εμφανιστούν. Ο χρόνος ζωής των μπαταριών θα επιμηκυνθεί και θα αυξηθεί η χωρητικότητά τους, φέρνοντας με τον τρόπο αυτόν πιο κοντά την ηλεκτροκίνηση. Πρωτοποριακά υλικά, τα οποία θα αυτοεπιδιορθώνονται και έτσι θα απαιτούν μικρότερη συντήρηση, θα αξιοποιηθούν από την αεροπλοΐα μέχρι τις μεγάλες κατασκευές. Η ανάπτυξη ειδικών καταλυτών για τη δημιουργία πόσιμου νερού θα φέρει ριζικές αλλαγές σε τρόφιμα που βρίσκονται σε έλλειψη.
Credits: Microsoft
Το Majorana 1 είναι πιθανώς ένας από τους πλέον αξιόπιστους δρόμους προκειμένου να κατακτήσουμε το συντομότερο τα παραπάνω. Το τσιπ παρουσιάστηκε τον Φεβρουάριο στο επιστημονικό περιοδικό «Nature» μαζί με τα επόμενα βήματα της Microsoft στο πεδίο των κβαντικών υπολογιστών. Κάνοντας έναν παραλληλισμό της εξέλιξης των κβαντικών υπολογιστών με την ιστορία των κλασικών υπολογιστών, ο Νάγιακ σημείωσε ότι «βρισκόμαστε κατ’ αναλογία στην εποχή όπου οι υπολογιστές με λυχνία αντικαταστάθηκαν από εκείνους με τρανζίστορ».
Ο «κβαντικός πυρετός» των εταιρειών
Το 2025 σημαδεύτηκε από πλείστες εξελίξεις στο πεδίο της κβαντικής υπολογιστικής. Ο ανταγωνισμός ανάμεσα σε τεχνολογικούς κολοσσούς, όπως είναι η Microsoft, η Google, η IBM και η Amazon, είναι πολύ ισχυρός, με τις ανακοινώσεις σχετικά με την πρόοδο κάθε εταιρείας να διαδέχονται η μία την άλλη.
Ενας άλλος μεγάλος παίκτης του κλάδου, η IBM, φιλοδοξεί να φθάσει ως το 2033 στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών μέχρι 2.000 qubits. Αυτή τη στιγμή μάλιστα βρίσκεται – τουλάχιστον ως προς τους αριθμούς – πιο μπροστά από τους ανταγωνιστές της διότι έχει ήδη παρουσιάσει τον IBM Condor, έναν κβαντικό επεξεργαστή 1.121 qubits. Πριν από μερικές μέρες η Google ανακοίνωσε τον αλγόριθμο Quantum Echoes, ο οποίος τρέχει πάνω στο τσιπ Willow, έναν υπεραγώγιμο κβαντικό επεξεργαστή που σηκώνει 105 qubits. Ο άμεσος στόχος της Google, δίχως να έχει ανακοινωθεί επίσημα ο χρονικός ορίζοντας για την υλοποίησή του, είναι οι δυνατότητες του Willow να φθάσουν τα 1.000 qubits.
Credits: Microsoft
Αυτός ο «κβαντικός πυρετός» επιβεβαιώνεται και από τα στοιχεία των επενδύσεων. Σήμερα ο κύκλος εσόδων κυμαίνεται στο μισό δισ. δολάρια και έως το 2030 αναμένεται να έχει ξεπεράσει τα 4 δισ. δολάρια. Το αμερικανικό κράτος παρακολουθεί από κοντά τις εξελίξεις, διότι η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών και το κρίσιμο ζήτημα της μετάβασής τους σε μια μεγάλη κλίμακα εφαρμογών θα αποτελέσουν, όπως και στην περίπτωση της τεχνητής νοημοσύνης, έναν ακόμα μοχλό άσκησης επιρροής στο γεωπολιτικό πεδίο.
Ούτε όμως η ΕΕ είναι απούσα. Το Quantum Act είναι προ των πυλών και είναι σημαντικό ότι ένα πολύ νευραλγικό κομμάτι της έρευνας υλοποιείται εντός της επικράτειάς της, στο Quantum Lab. «Χρειαζόμαστε έμπιστους εταίρους για να μετατρέψουμε την επιστημονική αριστεία σε δεξιότητες, θέσεις εργασίας και ανταγωνιστικότητα, ενώ παράλληλα θα δουλεύουμε πάνω στα νέα στάνταρντ ασφαλείας που θα απαιτεί η χρήση των κβαντικών υπολογιστών» σχολίασε στο «Βήμα» το υψηλόβαθμο στέλεχος της Microsoft Μίκαελ Εκμαν.
Υπολογιστής με 50 qubits τον επόμενο χρόνο
Παράλληλα, οι ερευνητές του Quantum Lab έχουν ήδη αποδείξει πώς μπορούν να λειτουργήσουν μαζί 28 qubits σε ένα υπολογιστικό σύστημα και, όπως σημείωσε ο Λάουρι Σάινιεμι, επικεφαλής του Quantum Lab, «τον επόμενο χρόνο θα έχουμε φτιάξει στη Δανία έναν υπολογιστή με 50 qubits», ένας αριθμός που θεωρείται ορόσημο προκειμένου οι κβαντικοί υπολογιστές να συμβάλλουν στην επίλυση σύνθετων και απαιτητικών επιστημονικών ζητημάτων, τα οποία αδυνατεί να επεξεργαστεί η κλασική υπολογιστική.
Σε ερώτηση του «Βήματος» σχετικά με το ευρύτερο χρονοδιάγραμμα που έχει θέσει η Microsoft για την αξιοποίηση της κβαντικής υπολογιστικής σε επιστημονικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας, ο Νάγιακ απέφυγε, κατά την πάγια τακτική της Microsoft, να δώσει συγκεκριμένες χρονολογίες. Επεσήμανε, ωστόσο, ότι το χρονοδιάγραμμα έχει εγκριθεί από την Υπηρεσία Προηγμένων Αμυντικών Ερευνητικών Προγραμμάτων (DARPA) του αμερικανικού Πενταγώνου στο πλαίσιο του δικού της προγράμματος αξιοποίησης των κβαντικών υπολογιστών. Σημειώνεται ότι η DΑRPA έχει εγκρίνει μόλις δύο προσεγγίσεις για την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών τα επόμενα χρόνια – η μία είναι της Microsoft και η άλλη της PSIQuantum.
Credits: Microsoft
Ο Νάγιακ αρνήθηκε ότι η συνεργασία αυτή επεκτείνεται στην ανάπτυξη στρατιωτικών εφαρμογών για λογαριασμό των ΗΠΑ και υπογράμμισε ότι μέσω της DΑRPA «η αμερικανική κυβέρνηση ενημερώνεται για τις εξελίξεις στον συγκεκριμένο τομέα».
Πολλές φορές οι εντυπωσιακοί τίτλοι γεννούν προσδοκίες και προκαλούν ενθουσιασμό με τον οποίο νιώθουν αμήχανα ακόμα και οι ίδιοι οι επιστήμονες που γνωρίζουν ότι η ερευνητική διαδικασία δεν χωρά στα καλούπια των ΜΜΕ και του μάρκετινγκ. Αλλωστε η υπόθεση των κβαντικών υπολογιστών δεν είναι νέα – ξεκινά από τη δεκαετία του ’80, ενώ ο Νάγιακ, ένας από τους θεμελιωτές του κλάδου, ασχολείται με αυτούς περισσότερα από 20 χρόνια. Ειδήσεις που πολλές φορές παρουσιάζονται απλουστευτικά, κρύβουν πίσω τους δεκαετίες έρευνας και δουλειάς.
Πολλαπλώς επιβεβαιωμένα μοντέλα
Πώς όμως είναι τόσο σίγουρη η Microsoft ότι βρίσκεται στον σωστό δρόμο με τη δική της προσέγγιση; Ο Νέιθαν Μπέικερ επικαλέστηκε τα πολλαπλώς επιβεβαιωμένα μοντέλα. «Γνωρίζουμε με ακρίβεια ποιες είναι οι δυνατότητες των υπολογιστών εφόσον τρέξουν με 50 ή με 100 ή με 1.000 qubits και ποιες λύσεις θα δώσουν σε μια σειρά εφαρμογών. Τα δεδομένα μας σχετικά με την ανάπτυξη των εφαρμογών της κβαντικής υπολογιστικής είναι αξιόπιστα και, παράλληλα, θα αναπτύσσονται τόσο το hardware όσο και οι αλγόριθμοι που θα επιτρέπουν την υλοποίηση αυτών των εφαρμογών».
Στην κβαντική υπολογιστική τα qubits, σε αντίθεση με τα bits, δεν παίρνουν τιμή είτε 0 είτε 1, αλλά μπορούν να έχουν ταυτόχρονα και τις δύο τιμές – αυτό καθιστά τους κβαντικούς υπολογιστές τόσο ισχυρούς αλλά και τόσο περίπλοκους. Επιπλέον, τα qubits είναι εξαιρετικά ευαίσθητα και ευπαθή στο φυσικό περιβάλλον, γεγονός που σημαίνει ότι καταστρέφονται εύκολα και κάνουν λάθη στους υπολογισμούς.
Κάνοντας το τίποτα κάτι
Ο Νάγιακ, που όπως προείπαμε είναι από τους θεμελιωτές του κλάδου, συνεργάζεται για περισσότερες από δύο δεκαετίες με τη Microsoft για τη δημιουργία qubits από το ψευδοσωματίδιο Majorana. Το συναντάμε στα ακαδημαϊκά εγχειρίδια και σε πειράματα πανεπιστημιακών εργαστηρίων. Η επιλογή του για τη δημιουργία qubits είναι καινοτόμα επειδή πρακτικά το Majorana ως ψευδοσωματίδιο είναι… τίποτα.
Credits: Microsoft
Για να κάνουμε μια αναλογία σχετική με τον Νόλαν, φανταστείτε μια κινηματογραφική αίθουσα με 100 θέσεις όπου υπάρχουν 99 καθισμένοι θεατές και μια κενή θέση. Αν όλοι οι θεατές μετακινούνται διαδοχικά στη διπλανή τους θέση, τότε δίνεται η αίσθηση ότι μετακινείται και το κενό. Δεν υπάρχει, αλλά κινείται.
Οι ερευνητές στο Quantum Lab εργάστηκαν σκληρά προκειμένου να κάνουν το τίποτα, κάτι. «Στο Majorana 1 καταφέραμε να μετατρέψουμε περίπλοκες, θεωρητικές έννοιες της φυσικής σε απτή τεχνολογία» υπογράμμισε ο Νάγιακ.
Το εκκεντρικό, ντροπαλό σωματίδιο
Η Microsoft είναι προς το παρόν η μόνη εταιρεία στον κόσμο που χρησιμοποιεί το σωματίδιο Majorana για τη δημιουργία qubits. Η επιλογή μοιάζει κάπως «εκκεντρική», ωστόσο η τεχνογνωσία που έχει αναπτύξει η Microsoft με τα χρόνια αλλά και τα χαρακτηριστικά του ψευδοσωματιδίου την καθιστούν, σύμφωνα με τους ερευνητές, αξιόπιστη ώστε να δώσει σύντομα ερευνητικές λύσεις στα ζητήματα που θίχτηκαν παραπάνω.
Οπως σχολίασαν οι επικεφαλής της έρευνας, τα τοπολογικά qubits είναι μικρά σε μέγεθος, γρήγορα και αξιόπιστα, ενώ οι μετρήσεις και η απόδοσή τους ελέγχονται πλήρως με ψηφιακούς παλμούς, επομένως οι τιμές αυτές είναι απόλυτα έγκυρες.
«Αν το Μajorana ήταν άνθρωπος, θα ήταν ένας ντροπαλός τύπος, από αυτούς που δεν μιλούν καθόλου σε μια παρέα, αλλά αν έχεις την τύχη να τον γνωρίσεις, θα διαπιστώσεις αμέσως ότι έχει πολύ μεγάλο ενδιαφέρον ως προσωπικότητα» απάντησε ο Σάινιεμι όταν τον ρωτήσαμε τι τύπος είναι αυτό το σωματίδιο στο οποίο έχει αφιερώσει την έρευνά του.
Πώς κατασκευάζεται το Majorana 1
Η διαδικασία κατασκευής του τσιπ περνά από τρία στάδια. Το πρώτο στάδιο αφορά την παραγωγή και την κατασκευή των υλικών στο Εργαστήριο Υλικών του Quantum Lab. Η εικόνα του είναι φουτουριστική και θυμίζει ταινία επιστημονικής φαντασίας καθώς δεσπόζουν μεγάλοι θάλαμοι που συνδέονται με αντλίες κενού οι οποίες είναι απαραίτητες για την κατασκευή νανοκαλωδίων και άλλων υλικών για το τσιπ, αλλά και δεξαμενές υγροποιημένου αζώτου για την ψύξη των υλικών.
Credits: Microsoft
Στο δεύτερο στάδιο, τα υλικά μεταφέρονται στο αποστειρωμένο Cleanroom (ή αλλιώς Εργαστήριο Κατασκευής). Οι μεταλλικές επιφάνειες είναι ανοξείδωτες, ο αέρας στον χώρο φιλτράρεται και ανανεώνεται κάθε έξι λεπτά και ο φωτισμός είναι υποκίτρινος λόγω της φωτοευαισθησίας πολλών υλικών. Για την πρόσβασή μας εκεί χρειάστηκε να φορέσουμε ειδικές στολές, γάντια και μάσκες. Σε αυτόν τον χώρο συναρμολογούνται τα επιμέρους τμήματα του τσιπ. Με άλλα λόγια, εκεί αποκτά τη μορφή του.
Στη συνέχεια τα τσιπ μεταφέρονται σε ειδικές θήκες στο Εργαστήριο Μετρήσεων, όπου ψύχονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες μέσα σε ειδικούς κρυογονικούς θαλάμους και περνούν διάφορα τεστ μετρήσεων προκειμένου να ελεγχθεί η καταλληλότητά τους.
Καθολικός έλεγχος της διαδικασίας
Οπως είπε ο Σάινιεμι, «το γεγονός ότι πλέον όλη η διαδικασία κατασκευής qubits πραγματοποιείται εδώ και οι διαφορετικές ομάδες εργάζονται στο ίδιο μέρος είναι κομβικής σημασίας καθώς έχουμε τον έλεγχο όλης της διαδικασίας και μπορούμε να κατασκευάζουμε πιο γρήγορα τοπολογικούς πυρήνες. Αυτός είναι και ο δρόμος που θα μας φέρει πλησιέστερα στην εξάλειψη των λαθών στους υπολογισμούς, αλλά και σε αρχιτεκτονικές hardware που θα επιτρέψουν τη χρήση κβαντικών υπολογιστών σε μεγάλη κλίμακα».
Στο Quantum Lab εργάζονται περισσότεροι από 100 ερευνητές και επιστήμονες, προερχόμενοι από τουλάχιστον 20 διαφορετικές χώρες του πλανήτη. Στην πρώτη του μορφή ιδρύθηκε το 2018, φέροντας κοντά τις ομάδες από το Ινστιτούτο Νιλς Μπορ και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης. Κάθε επιστημονικό ορόσημο δεν δημιουργείται στο κενό, δεν είναι μια στιγμή επουράνιας έμπνευσης, αλλά το άθροισμα μιας ομαδικής προσπάθειας που διαρκεί χρόνια.
«Από την πρώτη στιγμή ο στόχος μας ήταν να μετατρέψουμε τους μεμονωμένους πανεπιστημιακούς ερευνητές ή τα μικρά ερευνητικά γκρουπ σε μια μεγάλη ενιαία ομάδα. Η ακαδημαϊκή ελευθερία είναι κάτι πολύτιμο, εδώ όμως έπρεπε να κινηθούμε όλοι προς τον ίδιο στόχο», σημειώνει ο Σάινιεμι και συμπληρώνει: «Θα ήταν αδύνατο να επιτύχουμε μια ανακάλυψη τέτοιας εμβέλειας αν δεν βρισκόμασταν όλοι στο ίδιο μήκος και δεν λειτουργούσαμε με απόλυτη εμπιστοσύνη μεταξύ μας».
Credits: Microsoft
Καθώς κινούμαστε στους τρεις αυτούς χώρους νιώθουμε ότι κάτι παράδοξο συμβαίνει μπροστά στα μάτια μας. Οι επιστήμονες που εργάζονται εδώ έχουν στη διάθεσή τους εξοπλισμό τελευταίας τεχνολογίας, αξιοποιούν τις πιο πρόσφατες και προηγμένες κατακτήσεις της Τεχνητής Νοημοσύνης καθώς κι άλλων πεδίων και προάγουν τη γνώση μας με τρόπους που μέχρι πρότινος δεν είχαμε συλλάβει.
Βρίσκονται στην ερευνητική πρωτοπορία κι όμως η προσοχή, η συγκέντρωσή τους και ο τρόπος που κατασκευάζουν άτομο το άτομο τα υλικά αυτά και στη συνέχεια τα ελέγχουν έχει κάτι βαθιά, ταυτοτικά ανθρώπινο. Οταν πια οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργήσουν για το κοινό όφελος της ανθρωπότητας, ας μην ξεχνάμε ότι στην καρδιά τους, στον πυρήνα τους, είναι προς το παρόν χειροποίητοι.
