Κληρονομιά του Χόκινγκ η ''πεταλούδα'' της Κβαντομηχανικής

Κληρονομιά του Χόκινγκ η ''πεταλούδα'' της Κβαντομηχανικής
Συνεντεύξεις: Παναγιώτης Βλαχουτσάκος, Σωτήρης Σκουλούδης
Κάμερα: Κωνσταντίνος Τριανταφυλλόπουλος


Δύσκολα θα μπορούσε να φανταστεί ο μεγάλος Δανός φυσικός Νιλς Μπορ το 1913 ότι οι ανακαλύψεις του στον χώρο της κβαντομηχανικής θα έβρισκαν, μετά από πολλά χρόνια, χρήση στον κόσμο της πληροφορικής φέρνοντας τα πάνω-κάτω στο τεχνολογικό στερέωμα.

Ο Μπορ θεωρείται ο μεγαλύτερος θεωρητικός φυσικός μετά τον Άλμπερτ Αϊνστάιν. Εργάστηκε για την κατασκευή της ατομικής βόμβας και είναι ο δημιουργός της πρώτης κβαντικής θεωρίας του ατόμου και από τους θεμελιωτές της κβαντικής φυσικής.

Και μετά, ήρθε ο Χόκινγκ.

«Είμαστε, απλώς, ένα εξελιγμένο είδος μαϊμούδων σε έναν ασήμαντο πλανήτη ενός πολύ μέτριου αστέρα. Αλλά μπορούμε να αντιληφθούμε το Σύμπαν. Αυτό μας κάνει ιδιαίτερα σημαντικούς».

Με αυτές τις απλές φράσεις ο Στίβεν Χόκινγκ μας κληροδότησε την προίκα μας. Είμαστε απόλυτα ασήμαντοι μέσα στο Σύμπαν αλλά εξ ίσου σημαντικοί διότι το αντιλαμβανόμαστε. Είμαστε περιορισμένοι λόγω μεγεθών αλλά απεριόριστοι λόγω νοητικής δυνατότητας. Είμαστε μικροί μεν αλλά ανήκουμε σε αυτόν τον Κόσμο, τον μικρό… τον Μέγα. Αυτήν την συναίσθηση της σημαντικής ασημαντότητας μας θα πρέπει να διαφυλάξουμε ως απόλυτο αγαθό.

Είναι η αρχή της σοφίας η οποία ενδεχομένως αποτρέψει τoν φυσικό και φυσιολογικό εκμηδενισμό μας. Είναι η γνώση, η σωσίβια λέμβος της ανθρωπότητας. Είναι η άγνοια το εργαλείο της αυτοκαταστροφής μας. Ο Θεός δεν υπήρξε παρά μόνον στο σκοτάδι της άγνοιας μας. Η αποκάλυψη της απουσίας του μας οδήγησε στην αντίληψη των μεγεθών του Σύμπαντος στο οποίο κινείται η μετριότητα μας.

Ο Χόκινγκ μας έμαθε πώς ο «θείος φόνος» άναψε το «θείον φως» και οδήγησε στον δρόμο των αριθμών που καταλήγει στον κόσμο των χορδών που πάλλονται στον χρόνο καμπυλώνοντας τον χώρο. Ο κόσμος της αφαιρετικής σκέψης, των μαθηματικών, είναι το πλεονέκτημα αυτού του είδους των μαϊμούδων που κατάφερε να προσγειωθεί πέφτοντας στα δύο του πόδια και κατόπιν αντιλήφθηκε πώς το βλέμμα στον ορίζοντα ήταν η απαρχή αυτού του αέναου ταξιδιού.

Μία κουτοπονηριά της φύσης ή ακόμη χειρότερα μία σύμπτωση στον νόμο των πιθανοτήτων. Μία στιγμή που η «κβαντική πεταλούδα» στάθηκε στοργικά απέναντι στην ασημαντότητα της ύπαρξης και ξάφνου θες η φωτιά, θες η ομιλία, θες ο αντίχειρας, θες τα αμινοξέα, θες αυτός ο Αχίλλειος τένοντας, όλα μαζί ή κάτι από αυτά, πάντως στο Χάος, αποκτήσαμε το χάρισμα της αντίληψης και συνάμα την ενσυναίσθηση. Αυτά μας είπε ο Χόκινγκ, καλοσύνη του, μεταφράζοντας σε λέξεις αυτά που αντίκρισε με τα μαθηματικά του. Μόνον έτσι προχωράμε...

Τι είναι όμως η κβαντομηχανική ή κβαντική φυσική;
  Πρόκειται για την επιστήμη που περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης στο μοριακό, ατομικό και υποατομικό επίπεδο, εξηγώντας τα φαινόμενα του μικρόκοσμου.

Ο όρος κβάντο (quantum, μικρή ποσότητα) αναφέρεται σε διακριτές μονάδες που χαρακτηρίζουν συγκεκριμένες φυσικές ποσότητες, όπως η ενέργεια ενός ατόμου ύλης σε κατάσταση ηρεμίας.

Οι ανακαλύψεις λοιπόν του Μπορ αλλά και άλλων διακεκριμένων επιστημόνων που ασχολήθηκαν με την κβαντομηχανική και μελέτησαν τις ιδιότητες των υποατομικών σωματιδίων έμελλε να βρουν εφαρμογή σε υπερσύγχρονα υπολογιστικά συστήματα. 

Πριν από μερικούς μήνες, και συγκεκριμένα τον Νοέμβριο του 2017, ο αμερικανικός κολοσσός IBM εξέδωσε μία ανακοίνωση που προκάλεσε μεγάλη αίσθηση στον χώρο της πληροφορικής. Η αμερικανική εταιρεία ανακοίνωσε ότι δημιούργησε τον πρώτο επεξεργαστή με 50 κβαντικά «μπιτ» ή κβαντικά δυφία (qubits).

Είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο. 

Τι είναι όμως οι κβαντικοί υπολογιστές;
Πρόκειται για υπολογιστές που έχουν ταχύτητα υπολογισμών πολύ μεγαλύτερη από τους τωρινούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Αυτό συμβαίνει επειδή στους σημερινούς υπολογιστές, το bit, η βασική μονάδα πληροφορίας, μπορεί να πάρει είτε την τιμή «0» είτε την τιμή «1». Όμως το κβαντικό μπιτ (qubit), η στοιχειώδης μονάδα κβαντικής πληροφορίας, μπορεί να παίρνει τις τιμές «0», «1» ή «0 και 1» ταυτόχρονα.

Ο Έλληνας ερευνητής που ανακάλυψε την «κβαντική πεταλούδα» μιλάει στο zougla.gr



Ο Χανιώτης ερευνητής Δημήτρης Αγγελάκης, καθηγητής στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Πολυτεχνείου Κρήτης, διευθυντής της ερευνητικής ομάδας Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικής Πληροφορίας και κύριος ερευνητής στo Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης, μαζί με την ερευνητική του ομάδα της Google, πολύ πρόσφατα έγραψαν ιστορία, καθώς δημιούργησαν στην πράξη αυτό που στην κβαντομηχανική υπήρχε μόνο στη θεωρία:

Μια «κβαντική πεταλούδα», ένα φυσικό φαινόμενο δηλαδή με το το σχήμα της λεγόμενης «πεταλούδας Χοφστάντερ», μιας όμορφης γεωμετρικής μορφοκλασματικής δομής (φράκταλ), που χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε ισχυρά μαγνητικά πεδία. Η σχετική δημοσίευση έγινε στο περιοδικό «Science».



Το zougla.gr συζήτησε μαζί του για τη μεγάλη ανακάλυψη αλλά και για τη «δεύτερη κβαντική επανάσταση» που ζούμε αυτή την εποχή. Τι σημαίνει πρακτικά η ανακάλυψη της κβαντικής πεταλούδας; Πώς φαινόμενα όπως ο «κβαντικός εναγκαλισμός» και η «κβαντική υπέρθεση» μπορούν να αλλάξουν σε τεχνολογικούς όρους την κοινωνία μας; Ποιο είναι το επόμενο βήμα;

Δείτε τη συνέντευξη:



«​Η κβαντική πεταλούδα είναι ένα φυσικό φαινόμενο που είχε προβλεφθεί πριν 50 χρόνια, αφορά στη συμπεριφορά των  ηλεκτρονίων μέσα σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, αλλά τώρα το διαπιστώσαμε με τα μάτια μας»«Η κβαντική πεταλούδα είναι ένα φυσικό φαινόμενο που είχε προβλεφθεί πριν 50 χρόνια, αφορά στη συμπεριφορά των  ηλεκτρονίων μέσα σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, αλλά τώρα το διαπιστώσαμε με τα μάτια μας. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων, το φάσμα τους και οι τιμές που μπορούν να πάρουν, όταν σχεδιαστούν σε δύο άξονες (στον έναν το μαγνητικό πεδίο και στον άλλο η ενέργεια), αυτό μοιάζει με πεταλούδα. Δεν είχε διαγνωστεί ποτέ μέχρι τώρα, λόγω των τεράστιων τιμών του μαγνητικού πεδίου και της δυσκολίας του πειράματος σε πραγματικά πεδία. Εμείς το καταφέραμε προσομοιώνοντας το φαινόμενο σε κβαντικό επεξεργαστή της Google», εξηγεί.

Ερωτώμενος για τη νέα εποχή που διανοίγεται χάρη στις εφαρμογές της κβαντικής επιστήμης στους υπολογιστές, ο Δημήτρης Αγγελάκης εμφανίζεται ενθουσιασμένος:

​«Πρόκειται για πραγματική επανάσταση που προέκυψε με το "πάντρεμα" της κβαντικής φυσικής με την επιστήμη των υπολογιστών»
«Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να δώσουν μια λύση σε ένα πρόβλημα που θα έπαιρνε 6 μήνες στους συμβατικούς υπολογιστές, σε μία μόνο ώρα. Δεν έχουμε φτάσει ακόμα σε αυτό το σημείο αλλά είμαστε πολύ κοντά. Όταν θα λειτουργήσουν, θα πρόκειται για το αντίστοιχο επιστημονικό και τεχνολογικό άλμα που σημειώθηκε τη δεκαετία του 1960 με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, συγκριτικά με τα αριθμητήρια που είχαμε μέχρι τότε.

»Πρόκειται για πραγματική επανάσταση που προέκυψε με το "πάντρεμα" της κβαντικής φυσικής με την επιστήμη των υπολογιστών. Κι αυτό διότι τα μικροτσιπάκια που έχουμε στους υπολογιστές πλέον προσεγγίζουν το επίπεδο του ατόμου, όπου ισχύουν οι κβαντικοί νόμοι και τα κβαντικά φαινόμενα γίνονται πολύ έντονα. 



»Όμως, οι κβαντικοί νόμοι είναι πολύ διαφορετικοί από τους κλασικούς. Πλέον περνάει η εποχή που είχαμε την κατάσταση 0 ή 1. Τώρα, λόγω της κβαντικής υπέρθεσης, μπορούμε να έχουμε 0 και 1 ταυτόχρονα. Με δύο ηλεκτρόνια μπορούμε να έχουμε 0,0 , 0,1 , 1,0 και 1,1 ταυτόχρονα, με 3 ηλεκτρόνια 8 αριθμούς και αυτό πάει εκθετικά. Η δυνατότητα αυτή προσφέρει τρομερή αύξηση στην υπολογιστική ισχύ και στην ταχύτητα. 


(Φωτογραφίες: Google)

»Την κβαντική θεωρία δεν την καταλαβαίνει κανείς, απλά τη… συνηθίζει», μας λέει αστειευόμενος ο Έλληνας επιστήμονας. «Θα αλλάξει ο τρόπος που σκεφτόμαστε για τον κόσμο και οι συσκευές που θα βγουν θα τον αλλάξουν όχι μόνο φιλοσοφικά, αλλά και πρακτικά. Γνωρίζαμε πολλά πράγματα για αυτά, αλλά δεν είχαμε την τεχνολογία να πάμε εκεί... Πολλές εφαρμογές δεν μπορούμε καν να τις φανταστούμε, όπως δεν μπορούσαν να φανταστούν όλα τα σημερινά που έχουμε οι άνθρωποι τη δεκαετία του 1930. Αυτό που ξέρουμε για τα επόμενα 5-10 χρόνια, και για τα οποία υπάρχει ενδιαφέρον ήδη από τις μεγάλες εταιρείες, ότι θα υπάρχουν εφαρμογές μεγάλου μεγέθους, που δεν θα έρθουν αμέσως στον ιδιώτη, αλλά θα υπόκεινται στην επιρροή του»… 

Πώς η κβαντομηχανική μεταβάλλει τον τρόπο σκέψης μας και τους... υπολογιστές μας

Για την κβαντομηχανική θεωρία των πάντων και τη μαγική λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών μίλησε στο zougla.gr o Ερευνητής Α' του Κέντρου Ερευνών Αστρονομίας και Εφαρμοσμένων Μαθηματικών της Ακαδημίας Αθηνών, Χρήστος Ευθυμιόπουλος. 

«Παρατηρώντας τα φαινόμενα του μικρόκοσμου, των στοιχειωδών δηλαδή σωματιδίων, προκαλείται μεγάλη αγωνία στους φυσικούς. Κι αυτό διότι στο μικροσκοπικό επίπεδο η φυσική λειτουργεί με πολύ διαφορετικούς νόμους και με πολύ διαφορετική λογική», εξηγεί, επεικτείνοντας τη συζήτηση ένα βήμα πιο πέρα: Μέσω της ενασχόλησης με αυτή την επιστήμη «διανοίγονται πολύ μεγάλοι ορίζοντες σε πολύ διαφορετικούς δρόμους σκέψης, σχετικά με το πώς ορίζουμε αυτό που συνιστά τη συνειδητή σκέψη»...

«​Στο μικροσκοπικό επίπεδο η φυσική λειτουργεί με πολύ διαφορετικούς νόμους και με πολύ διαφορετική λογική»

Όσον αφορά στο πιο πρακτικό πεδίο, αυτό των κβαντικών υπολογιστών, ο επιφανής ερευνητής εξηγεί ότι βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο, αν και «η ιδέα ότι μπορούμε να αξιοποιήσουμε του νόμους της κβαντομηχανικής για να εξελίξουμε τους υπολογιστές μας ακούστηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1980». 

«Οι υπολογιστές αυτοί θα μπορούν να λύνουν προβλήματα, σε τεράστια ταχύτητα. Στην κβαντομηχανική δεν υπάρχει νομοτελειακή κατάσταση, παρά μόνο πιθανότητες. Έτσι, όταν θα δίνεται μια κβαντική κατάσταση ως εισαγωγικό δεδομένο στον κβαντικό υπολογιστή, τότε ουσιαστικά θα δίνουμε ένα σύνολο πιθανοτήτων και ο υπολογιστής θα λογαριάζει πώς εξελίσσεται αυτή η πιθανότητα στον χρόνο», εξηγεί.

Μήπως ελλοχεύουν κίνδυνοι από την αλματώδη αυτή εξέλιξη της κβαντομηχανικής, και στο επίπεδο της τεχνητής νοημοσύνης; Τα ανδροειδή... θα μπορούν να ονειρευτούν κάποτε ηλεκτρικά πρόβατα; Μήπως... η συνείδηση δεν θα αποτελεί στο μέλλον μόνο ανθρώπινο προνόμιο; Όλα αυτά, καθώς και το «μαγικό» φαινόμενο της «κβαντικής διεμπλοκής» αναλύονται από τον Χρήστο Ευθυμιόπουλο, ο οποίος προβλέπει την αλλαγή στη ζωή μας «με ρηξικέλευθους τρόπους στο άμεσο μέλλον»... 

Δείτε τη συνέντευξη:


Δείτε τη συνέντευξη του Καθηγητή Πυρηνικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Surrey της Αγγλίας, Jim Al-Khalili:



Δείτε τη συνέντευξη του Αστροφυσικού Μανώλη Δανέζη στο zougla.gr:



Διαβάστε επίσης:

Τελευταία ενημέρωση: Πέμπτη, 15 Μαρτίου 2018, 02:18