Plato vs Aristotle: Πόσο μακριά είναι ο κβαντικός υπολογιστής;

Από πολλές απόψεις, η πληροφορική δεν έχει φτάσει ως κλάδος στα όρια των δυνατοτήτων της. Παρόλο που τα τρανζίστορ έχουν υποστεί ραγδαία εξέλιξη, με αποτέλεσμα ο υπολογιστής να συρρικνώνεται όλο και σε μικρότερες συσκευές, η βασική αρχιτεκτονική με την οποία λειτουργεί είναι απαράλλακτη με αυτήν που συνέλαβαν οι μεγάλοι πρωτοπόροι τον προηγούμενο αιώνα. Πιο απλουστευτικά, ενώ η ανατομία που έχει ένας υπολογιστής έχει αναπτυχθεί, ο τρόπος σκέψης του είναι ακόμη ο πρωταρχικός.

Μια υπολογιστική μηχανή μπορεί να επιτελεί λειτουργίες βασιζόμενη στο δυαδικό σύστημα των 0 και 1, που ουσιαστικά αποτελεί μαθηματική μετάφραση του αν περνάει ρεύμα από τα μεμονωμένα μέρη του κυκλώματος ή όχι. Όλα τα προγράμματα, όσο περίπλοκα κι αν είναι, μεταφράζονται σε αυτό το βασικό σύστημα των bits με τη μορφή μεγάλων ( έως και πολύ μεγάλων! ) σειρών 0 και 1. Υπό αυτήν την έννοια, το δυαδικό σύστημα αποτελεί μια απλή αλλά και περιοριστική εκδοχή προγραμματισμού η οποία δείχνει πως σιγά σιγά αρχίζει και «επιβραδύνει» την αλματώδη εξέλιξη της πληροφορικής. Φαίνεται πως ο προγραμματισμός του «0 και 1» είναι πολύ αδύναμος για να εξοπλίσει τις μηχανές ώστε να μπορούν να επιλύσουν πιο σύνθετα  προβλήματα αλλά και να υλοποιήσουν τα μεγάλα οράματα της πληροφορικής, όπως την τεχνητή νοημοσύνη.

( Η παραπάνω περιγραφή είναι κάπως απλουστευτική, καθώς έχει βελτιωθεί η τεχνική κατασκευής των σκληρών δίσκων. Με τη βοήθεια του φαινομένου της γιγάντιας μαγνητοαντίστασης (GMR), η IBM κατασκεύασε το Δεκέμβριο του 1997 ένα σκληρό δίσκο 16,8 Gigabyte όπου χρησιμοποιείται ένα στοιχείο κανονικής εγγραφής με την κλασσική επαγωγική τεχνική και ένα στοιχείο ανάγνωσης με την τεχνική GMR με μια βαλβίδα σπιν. Για να μην μπερδευτούμε τελείως, όμως, τα ξεχνάμε όλα αυτά και μένουμε στην ορολογία “0 και 1”! )

Ωστόσο, οι περιορισμοί αυτοί άρχισαν να παρακάμπτονται, έστω και θεωρητικά, πριν από 40 χρόνια περίπου, όταν γεννήθηκε η ιδέα χρήσης της κβαντομηχανικής στην πληροφορική. Η σημερινή δόμηση του υπολογιστή βασίζεται στην απόλυτη χρήση των τιμών 0 και 1, δηλαδή τα κυκλώματα μπορούν να συμπεριφερθούν σε δύο απόλυτες καταστάσεις: είτε περνάει ρεύμα είτε δεν περνάει. Τι θα γίνονταν, όμως, εάν μπορούσαμε να επιτρέψουμε να διέρχεται συγκεκριμένη και διαβαθμισμένη ποσότητα ρεύματος, με τιμή ανάμεσα στις δύο απόλυτες συνθήκες; Έτσι γεννήθηκε η ιδέα του qubit, που, επιστημονικά, είναι ένας γραμμικός συνδυασμός των δύο ακραίων περιπτώσεων. Επομένως, όλες οι ενδιάμεσες τιμές είναι πιθανές αυξάνοντας τρομακτικά την ικανότητα μιας μηχανής, η οποία πλέον αποτελεί έναν κβαντικό υπολογιστή…

Αμέσως αναγνωρίστηκε η τεχνική αξία που θα είχε μια τέτοια μηχανή. Σημαντικό μέρος από την έρευνα της πληροφορικής έχει προσανατολιστεί σε αυτό το κομμάτι. Οι μεγάλοι κολοσσοί επενδύουν όλο και περισσότερο στην προσπάθεια κατασκευής ενός κβαντικού υπολογιστή. Ενδεικτικά: οι αμερικανικές IBM, Google και Microsoft, η κινεζική Alibaba, η καναδική D-Wave, καθώς και πολλά μεγάλα ερευνητικά κέντρα σε όλο τον πλανήτη, ( για να μην αναφερθούμε στους οργανισμούς που τροφοδοτούν τις μυστικές υπηρεσίες, όπως η αμερικανική Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) ).

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΑΚΟΜΑ

Είναι η κβαντομηχανική συμβατή με την καθιερωμένη επιστημονική σκέψη;

Πέρα από τις τεχνικές δυσκολίες, υπάρχει ένα γενικότερο πρόβλημα που εμποδίζει την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών και αυτό οφείλεται στη διαφορά θεώρησης της πραγματικότητας από την κβαντική μηχανική σε σχέση με την κλασική φυσική. Η κβαντομηχανική επινοήθηκε προκειμένου να αιτιολογηθούν φαινόμενα τα οποία αδυνατούσε να μελετήσει η κλασική φυσική, όπως είναι η δυϊκή φύση του φωτός. Οι περισσότεροι οι οποίοι γνωρίζουν κάτι πάνω στην κβαντική φυσική, θα ξέρουν τη γνωστή Αρχή της Αβεβαιότητας ( την οποία, ωστόσο, όλοι μας κατανοούμε μάλλον λιγάκι λανθασμένα! ). Η Αρχή ως αξίωμα προτάθηκε το 1927 από το Γερμανό φυσικό Werner Heisenberg. Μαθηματικά εννοεί πως δεν μπορούμε να μετρήσουμε ταυτόχρονα με απόλυτους όρους τη θέση και την ταχύτητα ενός σωματίου ( ή αλλιώς, η έλλειψη μας σε απόλυτη γνώση υπαγορεύεται κατά συγκεκριμένο τρόπο από αριθμητικές τιμές ). Συνεπώς, μπορούμε να μελετήσουμε τη συμπεριφορά ενός σωματίου μόνο με τη βοήθεια πιθανοτήτων.

Το σοκ το οποίο επέφερε η σύλληψη αυτής της ιδέας στην επιστημονική κοινότητα ήταν γερό. Κλονίστηκε όλη η ντετερμινιστική αντίληψη που περιέβαλε το μέχρι τότε οικοδόμημα της φυσικής. Ο ίδιος ο Albert Einstein χρησιμοποίησε την έννοια των κβάντων του Max Planck προκείμενου να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, για το οποίο βραβεύτηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1921. Ωστόσο, ποτέ του δεν μπόρεσε να χωνέψει την ιδέα της κβαντικής θεωρίας, για την οποία δεν έκρυβε το σκεπτικισμό του. Το όλο εγχείρημα διατάραζε τη σχέση αίτιου – αιτιατού, με την οποία λειτουργούσε ο κόσμος κατά την αντίληψη του μεγάλου φυσικού. Ουσιαστικά, η Αρχή επέβαλε την άποψη πως η απόδειξη της αλήθειας κάποιων προτάσεων ( και κατ’επέκταση, φαινομένων ) είναι ζήτημα βαθμού: υπάρχουν μερικά πράγματα για τα οποία μπορούμε να πούμε «ίσως» αλλά δεν θα μάθουμε απόλυτα ποτέ. Κατέστησε με αυτόν τον τρόπο την αμφιβολία επιστημονική και μας εξανάγκαζε να παραδεχθούμε πως η πραγματικότητα είναι στη βάση της πιθανοκρατική.

Αυτή η παραδοχή ήταν ανεπίτρεπτη σύμφωνα με το σκεπτικό του Einstein: «Το πιο ακατανόητο πράγμα στον κόσμο είναι ότι ο κόσμος είναι κατανοητός». Αδυνατούσε να δεχτεί πως υπάρχει αταξία στη φύση και πως το αποτέλεσμα ενός γεγονότος εξαρτάται από το πώς θα το εξετάσουμε. Η φύση ήταν ένα σύστημα ανεξάρτητο από εμάς, στο οποίο εντασσόμαστε και μπορούμε να το μελετήσουμε. Η εξέλιξή της δεν πρέπει να υπόκειται στην αντιληπτική ικανότητά μας.

Η αμφιβολία για την ορθότητα της κβαντομηχανικής πήγαζε ωστόσο από βαθύτερες υπαρξιακές αμφιβολίες. Ο Γερμανός επιστήμονας είχε ανατραφεί στο δυτικό ορθολογιστικό περιβάλλον το οποίο επώασε άρρηκτα συνδεδεμένο με την αφαιρετική λογική. Η κβαντομηχανική δεν αποτελούσε απλώς ένα «ενοχλητικό» υπολογιστικό μοντέλο, αλλά ένα επιχείρημα εναντίον όλης της δυτικής φιλοσοφικής σκέψης. Έτσι, όταν ο Einstein ήρθε σε επαφή με τα φιλοσοφικά ρεύματα που κυοφορούσε η ινδική υποήπειρος για χιλιάδες χρόνια, το πρόβλημα της κβαντομηχανικής εμμέσως ξαναπροέκυψε βασανιστικά μπροστά του.

Einstein & Tagore

Το 1930 συναντήθηκε με το μεγάλο Ινδό ποιητή και φιλόσοφο Rabindranath Tagore. Ο Tagore ήταν εξέχουσα επιστημονική και φιλοσοφική φυσιογνωμία. Είχε έφεση με την ίδια αξιοθαύμαστη επίδραση στη μουσική, στην ποίηση και στη λογοτεχνία, καθώς βραβεύτηκε με Νόμπελ Λογοτεχνίας το 1913, ενώ η πολυμάθεια του τού κίνησε το εκτεταμένο ενδιαφέρον για τις φυσικές επιστήμες. Ήταν ο πρώτος Ινδός που του απονεμήθηκε τιμητικός διδακτορικός τίτλος του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, στην εφηβεία του έγραψε την πρώτη του εργασία στην Αστρονομία και στα 75 του ξεκίνησε επιστημονικές σπουδές, κατά τις οποίες συνέγραψε ένα σύντομο εγχειρίδιο για νέους σπουδαστές με τον τίτλο Our universe.

Έτσι, η συνάντηση αυτή δεν ήταν μόνο μια απλή αντιπαράθεση μεταξύ δύο στοχαστών. Ήταν η σύγκρουση δύο κόσμων. Από τη μία ήταν το περίεργο, ορθολογιστικό και ανήσυχο πνεύμα του δυτικού πολιτισμού και από την άλλη η επίμονη και διαπεραστική αύρα του ανατολίτικου μυστικισμού.

υπολογιστής

Το θέμα της συζήτησής τους ήταν: ο κόσμος περιβάλλει τη δική του ανεξάρτητη υπόσταση, ή εξαρτάται από την αντίληψη με την οποία είναι προικισμένος ο ανθρώπινος νους;

Ο Einstein επέμενε στη ρεαλιστική άποψη πως ο κόσμος υπάρχει ανεξάρτητα από την ανθρώπινη αντίληψη και πως εξελίσσεται βάσει νόμων που ο άνθρωπος μπορεί να συλλάβει και να μελετήσει, ώστε να τον κατανοήσει. Ένα φαινόμενο δεν «υπάρχει» συναρτήσει της γνωσιακής εμπειρίας, ενώ εμείς αυτό που μπορούμε να κάνουμε είναι ουσιαστικά να το καταγράψουμε ως παρατηρητές. Η αλήθεια είναι αντικειμενική και η πραγματικότητα υπάρχει αντικειμενικά, ασχέτως εάν την αντιλαμβανόμαστε εμείς ή όχι.

Ο Tagore, γέννημα θρέμμα της κουλτούρας που εμπνεύστηκε τη μεγάλη θρησκεία του βουδισμού, ερμηνεύει τον κόσμο πολύ πιο προσωπικά, σε σχέση με την ορθολογιστική και παρατηρητική άποψη του συνομιλητή του. Η πραγματικότητα εγκολπώνεται στη συνειδητότητα του νου. Τα φαινόμενα και η πραγματικότητα δεν υπάρχουν μέχρι τη στιγμή που εμείς τα εντοπίζουμε και τα αντιλαμβανόμαστε. Η αλήθεια είναι απόλυτα υποκειμενική. Έτσι, η πραγματικότητα διαχωρίζεται στις δύο όψεις της, την προσωπική και την παγκόσμια, καθώς αυτός ο δυϊσμός απορρέει από τον τρόπο που είναι δομημένη η ανθρώπινη αντίληψη.

Η διάσταση της κοσμοθεωρίας των δύο φανερώθηκε και στο παράδειγμα του τραπεζιού. Υποθέτουμε πως σε ένα σπίτι υπάρχει ένα τραπέζι. Ο Einstein υποστηρίζει πως ανεξάρτητα από το αν είμαστε στο σπίτι ή όχι, γνωρίζουμε πως το τραπέζι συνεχίζει να υπάρχει εκεί, έτσι και η αλήθεια παρόλο που μπορεί να μην τη βλέπουμε και να την κατανοούμε, συνεχίζει να υφίσταται. Ο Tagore απαντάει πως το τραπέζι μπορεί να γίνει αντιληπτό με ένα είδος συνειδητότητας που έχουμε. Κάποια αλήθεια η οποία είναι τελείως άσχετη από την ανθρωπότητα και το νου είναι και ουσιαστικά μη υπαρκτή. Σαν μεμονωμένο γεγονός δεν έχει νόημα, παρά μόνο σαν μια μορφή ισορροπίας ανάμεσα στον ατομικό και στο συμπαντικό νου.

Για την ιστορία, η συζήτηση δεν κατέληξε κάπου συγκεκριμένα. Ήταν όμως μοναδικό γεγονός να βλέπει κανείς να εξελίσσεται η συζήτηση μεταξύ των δύο αυτών διανοητών, οι οποίοι εκπροσωπούσαν δύο εντελώς διαφορετικούς κόσμους.

Πλάτων & Αριστοτέλης

Η σύγκρουση των δύο αυτών πνευματικών πλανητών έχει τις ρίζες της σε όλο το χάσμα της φιλοσοφίας που χαρακτηρίζει τη Δύση και την Ανατολή. Ωστόσο, η ανατολίτικη φιλοσοφία οικοδομήθηκε πάνω στο καρτερικό πνεύμα του βουδισμού, σύμφωνα με το οποίο για να φτάσει κανείς στην τελειότητα πρέπει να εναρμονίσει το προσωπικό του είναι με το σύμπαν. Όταν ταυτιστεί ο ατομικός με το συμπαντικό νου, τότε νιώθει κανείς την ευτυχία. Από αυτήν την άποψη, φαίνεται πολύ πιο συνεπής. Προσπαθεί να συμβιβάσει πιο ομαλά την προσωπική εμπειρία μέσω των αισθήσεων με τον εξωτερικό, παγκόσμιο κόσμο.

υπολογιστής

Η δυτική σκέψη, από την άλλη, μαστίζεται από τον ενδότερο δυϊσμό που κληροδότησε η αρχαία ελληνική γραμματεία. Κυοφορεί ακόμα τη διαφορά αντίληψης που σφυρηλάτησαν οι δύο μεγάλες σχολές της ελληνικής αρχαιότητας: ο πλατωνικός ιδεαλισμός και ο αριστοτελικός εμπειρισμός. Η πλατωνική σκέψη εστιάζει στον κόσμο των Ιδεών, όπου η αλήθεια είναι απόλυτη, αμόλυντη και ανεξάρτητη από τον υλικό κόσμο, ο οποίος είναι μια βραχύβια και φθαρτή υλοποίησή της. Η αριστοτελική σκέψη κατηγοριοποιεί τα πάντα μέσω της γνωσιακής εμπειρίας: ο κόσμος υπάρχει, αλλά μέσω των αισθήσεων το συλλαμβάνουμε, τον αντιλαμβανόμαστε και τον κατηγοριοποιούμε. Όλη η φιλοσοφική γραμματεία από τότε μέχρι σήμερα έχει αναπτύξει παραλλαγές αυτών των δύο σχολών, άλλοτε ανέπτυσσε κάπως διαφορετικά τη μια θεώρηση, άλλοτε την άλλη, άλλοτε προσπαθούσε να τις εναρμονίσει, ποτέ όμως δεν μπόρεσε να ξεφύγει. Πολύ απλά γιατί η αρχαία ελληνική φιλοσοφία αποκρυστάλλωσε πανέμορφα όλη την αγωνία του ανθρώπου για το αν είναι ένα τυχαίο γεγονός αυτού του κόσμου, ή η ρίζα του ανάγεται σε κάποιο ανώτερο επίπεδο.

Δυόμιση χιλιάδες χρόνια μετά, η δυτική επιστημονική σκέψη αδυνατεί να ξεφύγει από αυτό το διπολισμό. Μάλιστα, η φιλοσοφία έφτασε στο σημείο να αοριστολογεί τόσο που να μην υπογραμμίζει περίτρανα το βασικό πρόβλημα. Οι φυσικές επιστήμες, όμως, είναι πιο συνεπείς και αντικειμενικές. Το σοκ της κβαντομηχανικής ήταν απλά το καμπανάκι για να μας υπενθυμίσει το πόσο περίπλοκη μπορεί να είναι εν τέλει η πραγματικότητα. Ο κόσμος φαίνεται απρόβλεπτος και δεν μπορεί να οριστεί με απόλυτους όρους, ωστόσο η αβεβαιότητα αυτή μπορεί να φορμαλιστεί και να προσεγγιστεί με κάποιους κανόνες, οι οποίοι, έστω και στοχαστικά, είναι ικανοί να την περιγράψουν ικανοποιητικά. Μάλιστα, φαίνεται πως η αβεβαιότητα που εισάγει στην κοσμοθεωρία μας η κβαντομηχανική έχει αντίκρισμα, καθώς στη θεωρία της λογικής έχει αρχίσει και χρησιμοποιείται ευρέως η fuzzy logic, η οποία επιτρέπει σε μια πρόταση να μην είναι μόνο ορθή ή λάθος, μα να έχει συγκεκριμένο βαθμό αλήθειας.

Βλέπουμε, λοιπόν, πως, προτού φτάσουμε στο σημείο να είναι στα χέρια μας ένας ολοκληρωμένος κβαντικός υπολογιστής ή, ακόμα μακρύτερα ( και λίγο απλουστευτικά ), μια οξυδερκή ρομποτική παραδουλεύτρα που θα βράζει το μακαρόνια όπως ακριβώς θέλουμε, την ώρα που θέλουμε, έχουμε να ξεκαθαρίσουμε τελικά αν αυτό που γνωρίζουμε όντως υπάρχει, ή απλά νομίζουμε ότι το γνωρίζουμε…

υπολογιστής


Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Αναστάσιος Φάκας Μπιτζιάδης

Γεννήθηκα το 1993 στη Θεσσαλονίκη, όπου σπούδασα κι έλαβα το πτυχίο μου από την Πολυτεχνική Σχολή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου. Δεν μπορώ να συντονίσω 3 σκέψεις στο μυαλό μου με σειρά, αλλά προσπαθώ να πείσω τον εαυτό μου και τους γύρω ότι γράφω σαν άνθρωπος. Βιβλιοφάγος και περίεργος μέχρι βαθμό κακουργήματος, γιατί Timendi causa est nescire.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;