Κβαντικό υπερόπλο στην Google

Στις 15 Μαΐου 2013, η εισήγηση της καθηγήτριας Τεχνολογίας και Κοινωνίας στο αμερικανικό πανεπιστήμιο Amherst, Catherine McGeoch απέσπασε το βραβείο καλύτερης εργασίας, που παρουσιάστηκε στο παγκόσμιο συνέδριο «ACM International Conference on Computing Frontiers», στην Ischia της Ιταλίας. Είχε τίτλο «Πειραματική αξιολόγηση ενός αδιαβατικού κβαντικού συστήματος για συνδυαστική βελτιστοποίηση» και παρείχε –για πρώτη φορά παγκοσμίως –σύγκριση υπολογιστικής επίδοσης μεταξύ ενός κβαντικού υπολογιστή και συμβατικών υπερυπολογιστών. Το πόρισμά της ήταν ότι «το κβαντικό σύστημα βρήκε τις βέλτιστες λύσεις σε λιγότερο από μισό δευτερόλεπτο, όταν για το ίδιο πρόβλημα ο καλύτερος συμβατικός υπολογιστής χρειάστηκε 30 λεπτά».

Την επόμενη ακριβώς ημέρα, ένα άρθρο των New York Times μας πληροφορούσε ότι η Google και μια θυγατρική της NASA αγόρασαν από κοινού τον εν λόγω κβαντικό υπολογιστή D-Wave Two, κόστους 15 εκατ. δολαρίων, και τον στέγασαν σε ένα νεοϊδρυόμενο εργαστήριο μελέτης της τεχνητής νοημοσύνης. Αιτιολογώντας την αγορά του κβαντικού υπολογιστή, ο διευθυντής της Google Hartmut Neven δήλωσε ότι «για να θεραπεύσουμε ασθένειες και για να αναπτύξουμε καλύτερες περιβαλλοντικές πολιτικές χρειαζόμαστε καλύτερα μοντέλα ανάλυσής τους, όπως και για να χτίσουμε μια ακόμη πιο χρηστική μηχανή αναζήτησης χρειάζεται να κατανοούμε καλύτερα τις προφορικές ερωτήσεις». Επίσης, ο υπολογιστής αυτός αναμένεται να λύσει προβλήματα «μηχανικής εκμάθησης», που θα οδηγήσουν σε καλύτερη «προσωπική αναζήτηση» στο Διαδίκτυο, πρόβλεψη κυκλοφοριακού φόρτου μέσω GPS, αναγνώριση προσώπων και φωνής, βιολογικής συμπεριφοράς, διαστημικών αποστολών και, γενικά, διαχείριση πολύ μεγάλων και πολύπλοκων συστημάτων. Κατά τον επικεφαλής της κατασκευάστριας εταιρείας D-Wave Vern Brownell, που ως πρόσφατα ήταν τεχνικός διευθυντής της πασίγνωστης Goldman Sachs, άλλες δυνητικές εφαρμογές του κβαντικού υπολογιστή είναι οι τομείς των χρηματοοικονομικών υπηρεσιών, της υγείας και της εθνικής ασφάλειας.

Προτού καν αναλυθεί η τεχνολογική σημασία της είδησης, μια σειρά συμπτώσεων εξέθρεψε τη συνωμοσιολογία του «γιατί η Google έσπευσε σε αυτή την αγορά;». Συγκεκριμένα, όπως αποκάλυψε στις 20 Μαΐου η Washington Post, την τελευταία τριετία κινέζοι διαρρήκτες (hackers) είχαν κλέψει από τους υπολογιστές της Google –και πιθανόν και από εκείνους της Microsoft –πολύτιμες βάσεις δεδομένων του υπουργείου Δικαιοσύνης των ΗΠΑ. Το «πολύτιμο» των δεδομένων συνίσταται στο ότι αφορούσαν εντάλματα παρακολούθησης υπόπτων ξένων πρακτόρων από το FBI. Δηλαδή, οι Κινέζοι διέλυσαν ψηφιακά την αντικατασκοπεία των ΗΠΑ και –άκουσον, άκουσον –κατόρθωσαν ακόμη και να κλέψουν τον πηγαίο κώδικα της μηχανής αναζήτησης της Google! H ιστορία αυτή είναι κολοσσιαίας στρατηγικής σημασίας και κάνει πιστευτό το σενάριο η Google να επενδύει στον κβαντικό υπολογιστή πρώτιστα για να αξιοποιήσει την απαραβίαστη κρυπτογράφηση που υπόσχονται τα κβάντα.

Η άλλη σύμπτωση είναι χρηματοοικονομικής υφής και έχει να κάνει με την ανακοίνωση, στις 20 Μαΐου, ότι η Google καταργεί το προηγούμενο σύστημα ηλεκτρονικών πληρωμών Google Checkout και ενοποιεί το νέο της σύστημα, Google Wallet, με το Gmail. To Google Wallet στοχεύει στο μονοπώλιο του PayPal, αλλά για να βγει εκτός συνόρων ΗΠΑ και να κατακτήσει τη διεθνή αγορά πρέπει να αποδείξει το απαραβίαστο των λογαριασμών του. Πράγμα που δεν μπορούσε να εγγυηθεί ένα σύστημα που άλωσαν οι Κινέζοι. Αρα, πάλι ένα σενάριο κβαντικής κρυπτογράφησης ανακύπτει και το γεγονός ότι η Goldman Sachs έχει γίνει μεγαλοεπενδυτής της D-Wave κάνει το σενάριο ακόμη πιο πιστευτό. Ομως, πέρα από τα σενάρια, ποια είναι ετούτη η D-Wave;

Πριν από 14 χρόνια, ο Haig Farris δίδασκε επιχειρηματικότητα στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, στο Βανκούβερ του Καναδά, ο φυσικός ημιαγωγών Geordie Rose τελείωνε εκεί το διδακτορικό του, ο Bob Wiens έπαιρνε το μεταπτυχιακό του στις επικοινωνίες και ο Alexandre Zagoskin ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής κβαντικής φυσικής. Από τις συζητήσεις της παρέας μία τολμηρή ιδέα γεννήθηκε εκείνη την άνοιξη του 1999 και έλαβε τη μορφή επιχείρησης, υπό την επωνυμία D-Wave. Το όνομά της το εμπνεύστηκαν από τον ομώνυμο ιδιαίτερο τύπο «υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών» που θα τους επέτρεπε να αιχμαλωτίσουν τα κβάντα σε κυκλώματα.

Το εγχείρημά τους στην αρχή αντιμετωπίστηκε χλευαστικά, καθόσον όλοι γνώριζαν το μέγα πρόβλημα του υπολογισμού με κβάντα, ότι δηλαδή δεν μπορείς να «διαβάσεις» το αποτέλεσμα των υπολογισμών χωρίς να αλλοιώσεις τους ίδιους τους υπολογισμούς. Ομως, η τετράδα της D-Wave είχε βρει τον τρόπο στην «κβαντική ανόπτηση» (quantum annealing).

Συγκεκριμένα, το 2000 πρωτοπροτάθηκε από τον Edward Fahri του ΜΙΤ η μοντελοποίηση των κβαντικών υπολογισμών βάσει της «αδιαβατικής κβαντικής εξέλιξης» (adiabatic quantum evolution). H βασική ιδέα ενός τέτοιου μοντέλου είναι να μετατρέπεις ένα εύκολα υπολογίσιμο πρόβλημα στο δυσεπίλυτο πρόβλημα που στοχεύεις. Υπό συγκεκριμένες συνθήκες, έχεις μεγάλη πιθανότητα να οδηγηθείς στη λύση που ψάχνεις. Ειδικά όταν το πρόβλημα-στόχος είναι πρόβλημα βελτιστοποίησης, η μέθοδος λέγεται «κβαντική ανόπτηση» και επιτρέπει το «καλούπωμα» των ενεργειακών επιπέδων των κβάντα σε κλίμακα πολύ μεγαλύτερη κάθε άλλης. Η D-Wave λοιπόν, σχεδίασε εξαρχής τα κυκλώματά της έτσι ώστε να λειτουργούν με «κβαντική ανόπτηση». Υλοποίησε το κάθε κβαντικό της bit (qubit) με έναν βρόγχο υπεραγωγού μαγνητικής ζεύξης και ανέπτυξε μια δική της τεχνική «φωτογράφισης» της τρέχουσας κατάστασης των κβάντα, ώστε να τις παίρνει καρέ-καρέ, σαν ταινία. Παρακολουθώντας αυτή την «ταινία» μπορούσε να διεισδύει στο «μαύρο κουτί» του υπεραγώγιμα κατεψυγμένου κβαντικού επεξεργαστή και να βλέπει αν οι κβαντικοί υπολογισμοί του απέδιδαν μαθηματικά αποδείξιμα αποτελέσματα. Σταδιακά, κατόρθωσαν να φτιάξουν ένα πρωτότυπο τόσο κλασικής συνδεσμολογίας ώστε να το προγραμματίζουν με τη γνωστή γλώσσα προγραμματισμού των κινητών τηλεφώνων, Python.

Για να πάρουμε μια ιδέα του πώς διατυπώνεται ένα πρόβλημα και πώς αντλείται η λύση από τον κβαντικό υπολογιστή, σκεφτείτε το εξής: Γράφεται στη γλώσσα προγραμματισμού μια «γενεσιουργός συνάρτηση» που κωδικοποιεί το πρόβλημα σε μηδενικά και μονάδες (bits) και παράγει ως αποτέλεσμα έναν πραγματικό αριθμό (από μηδενικά και μονάδες, πάλι). Επειτα, ο κβαντικός επεξεργαστής διατάσσει τα qubits να επανακωδικοποιήσουν το πρόβλημα και αρχίζει το «κοσκίνισμα»: Υπάρχουν qubits που έχουν το πρόβλημα και qubits που «φορτώνονται» τις απαντήσεις. Ολα τα διασυνδεόμενα qubits προσπαθούν να διατηρήσουν τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Οταν φθάσουν στο «συνολικό ενεργειακό ελάχιστο» (global minimum) τότε έχει βρεθεί η βέλτιστη απάντηση.

Το 2007, ο καθηγητής του Πανεπιστημίου Berkeley, και από τους θεμελιωτές της θεωρίας κβαντικής πολυπλοκότητας, Umesh Vazirani, έκανε το εξής καυστικό σχόλιο: «Ο «κβαντικός υπολογιστής» της D-Wave, ακόμη κι αν αποδειχθεί ότι είναι πραγματικά κβαντικός και ακόμη κι αν κλιμακωθεί, έως ότου να έχει χιλιάδες qubits, πιθανότατα δεν θα είναι ισχυρότερος από ένα κινητό τηλέφωνο». Ακολούθησε σφοδρή αμφισβήτηση και από άλλους, με προεξάρχοντα τον καθηγητή του ΜΙΤ Scott Aaronson. Παρά ταύτα, τα στελέχη της D-Wave κατάφεραν να διπλασιάζουν σχεδόν κατ’ έτος τον αριθμό των qubits στους επεξεργαστές τους: Είχαν 4 qubits στον Calypso του 2005, 16 στον Europa του 2006, 28 στον Leda του 2007, 128 στον Rainier του 2010 και 512 στον Vesuvius του 2012.

H πρώτη επίδειξη-απόδειξη της αποτελεσματικότητας του υπολογιστή που έχτιζαν σημειώθηκε στις 3 Φεβρουαρίου 2007, στο Μουσείο Ιστορίας των Υπολογιστών της Καλιφόρνιας. Επειτα, το 2009, μία ομάδα ερευνητών της Google χτύπησε την πόρτα της D-Wave και ζήτησε να δοκιμάσει τον υπολογιστή της σε πρόβλημα αναγνώρισης εικόνων. Τον τροφοδότησαν με 20.000 φωτογραφίες, όπου στις μισές υπήρχαν αυτοκίνητα και στις μισές όχι. Οταν ο υπολογιστής «κοσκίνισε» τις φωτογραφίες, εντόπισε τα ζητούμενα αυτοκίνητα πολύ ταχύτερα απ’ ό,τι είχε κατορθώσει ποτέ η Google στις φάρμες των χιλιάδων υπολογιστών που διαθέτει. Αυτό το τεστ σήμανε και την απαρχή του ιδιαίτερου ενδιαφέροντος της Google στην κβαντική προοπτική της πληροφορικής. Ο διευθυντής της Hartmut Neven έγραψε ενθουσιασμένος στο ιστολόγιό του: «Υπάρχουν ακόμη πολλά αναπάντητα ερωτήματα, αλλά και στα πειράματά μας παρατηρήσαμε ότι αυτός ο επεξεργαστής αποδίδει καλύτερα από εκείνους που έχουμε στα κέντρα δεδομένων μας σήμερα. Πέρα από την πρόοδο στη μηχανική συνθετική νοημοσύνη, ελπίζουμε ότι η βελτιωμένη γνώση της κβαντικής πληροφορικής θα αυξήσει επίσης τη γνώση μας για τη δομή της πραγματικότητας, όπως περιγράφεται από τους νόμους της κβαντικής φυσικής».

Ο τελευταίος κβαντικός υπολογιστής της D-Wave είναι μεγέθους δωματίου

Τον Μάιο του 2011, ήρθε η πρώτη εμπορική επιτυχία: Η κατασκευάστρια πολεμικών αεροσκαφών Lockheed Μartin αγόρασε δύο υπολογιστές D-Wave One (των 128 qubits) για την επίλυση προβλημάτων αεροδυναμικής, αντί 10 εκατ. δολαρίων έκαστο. Επειτα, τον Αύγουστο του 2012, ήλθε ο επιστημονικός θρίαμβος: Μια ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ επέλυσε με έναν κβαντικό υπολογιστή D-Wave One το μέγιστο πρόβλημα αναδίπλωσης των πρωτεϊνών –γνωστό ως πλέγμα Miyazawa-Jernigan (βλ. http://blogs.nature.com/news/2012/08/d-wave-quantum-computer-solves-protein-folding-problem.html).

Ακολούθησε τον Οκτώβριο μια ένεση επενδυτικών κεφαλαίων στην εταιρεία –30 εκατ. δολάρια συγκεκριμένα, από την Bezos Expeditions και την επενδυτική εταιρεία των μυστικών υπηρεσιών των ΗΠΑ In-Q-Tel. Τον χειμώνα παρουσιάστηκε το νέο μοντέλο (των 512 qubits) και, τώρα, η D-Wave το πούλησε στον συνεταιρισμό Google-NASA και ετοιμάζει ακάθεκτη έναν υπολογιστή των 2.048 qubits. Στοχεύει να φτάσει ως τα 10.240 qubits το 2017, αλλά για περαιτέρω κλιμάκωση λέει ότι θα πρέπει να βρεθούν νέες βιομηχανικές διεργασίες τύπωσης των κυκλωμάτων της.

Αν σταθούμε στα οικονομοτεχνικά χαρακτηριστικά, το τόλμημα της τετράδας του Βανκούβερ έχει ήδη δικαιωθεί: Ο τελευταίος τους κβαντικός επεξεργαστής επιτελεί ταυτόχρονα (παράλληλα) πάνω από 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 υπολογισμούς και η πρόβλεψη για τον διεθνή τζίρο της αγοράς κβαντικών υπολογιστών ως το 2020 εκτιμάται στα 26 δισ. δολάρια (βλ. www.marketresearchmedia.com/?p=850). Εκείνο όμως που ενδιαφέρει εμάς τους υπόλοιπους ιδιαιτέρως είναι τα «ιδιαίτερα» ποιοτικά χαρακτηριστικά του κβαντικού της υπολογιστή που υπερήφανα προβάλλει η D-Wave:

Δυαδική ταξινόμηση –Επιτρέπει στον κβαντικό επεξεργαστή να τροφοδοτείται με τεράστιες ποσότητες σύνθετων δεδομένων εισόδου –συμπεριλαμβανομένων κειμένων, εικόνων και βίντεο –και να τα ταυτοποιεί.

Κβαντικό Χαρακτηριστικό Μη επιβλεπόμενης Μάθησης (QUFL) – Επιτρέπει στον υπολογιστή να μαθαίνει μόνος του, όπως και να δημιουργεί και να βελτιστοποιεί τα δικά του προγράμματα προκειμένου να γίνεται πιο λειτουργικός και αποτελεσματικός.

Παροδικό QUFL – Επιτρέπει στον υπολογιστή να προβλέπει το μέλλον, βασιζόμενος στις πληροφορίες που μαθαίνει μέσω της δυαδικής ταξινόμησης και του QUFL.

Τεχνητή Νοημοσύνη Μέσω Κβαντικού Νευρωνικού Δικτύου – Επιτρέπει στον υπολογιστή να ανακατασκευάζει πλήρως τις γνωστικές διεργασίες του ανθρώπινου εγκεφάλου και να μαθαίνει το πώς να παίρνει καλύτερες αποφάσεις και να προβλέπει καλύτερα το μέλλον.

Διαβάζοντάς τα, οι λέξεις-κλειδιά «ταυτοποιεί», «μαθαίνει», «προβλέπει», «ανακατασκευάζει» αρχίζουν να ξυπνάνε μέσα μας μνήμες από την ταινία «The Matrix». Γι’ αυτό λοιπόν «μπήκαν» στην D-Wave ως επενδυτές οι μυστικές υπηρεσίες; Η ίδια η εταιρεία σπεύδει να τονίσει ότι ο υπολογιστής της εργάζεται εστιασμένα με αλγόριθμο βελτιστοποίησης και όχι κρυπτανάλυσης. Ομως, αυτό δεν σημαίνει ότι δεν θα μπορούσε…

Οι ενδείξεις για το ότι μια τέτοια εξέλιξη βρίσκεται στα σκαριά υπάρχουν τουλάχιστον από το 2010 (βλ. www.afcea.org/content/?q=node/2407) και η επένδυση στην D-Wave την ενισχύει. Από τα 26 δισ. δολ. της αγοράς κβαντικών υπολογιστών ως το τέλος της δεκαετίας σίγουρα πολλά θα προέλθουν από κονδύλια μυστικών υπηρεσιών. Και έτσι, ενώ θα πασχίζουμε να λύσουμε κβαντικά τον γόρδιο δεσμό του καρκίνου, κάποιοι άλλοι ίσως θα χαλκεύουν τα κβαντικά δεσμά μας. Ποιος είπε ότι υπάρχει αγαθόν αμιγές κακού;