Για όλα υπάρχει μια αρχή. Και στην επιστήμη, η αρχή συχνά έρχεται με μια εμπνευσμένη απορία. «Μπορούν όλα τα φυσικά συστήματα να προσομοιωθούν από έναν υπολογιστή; Και πώς πρέπει να είναι αυτός ο υπολογιστής;» αναρωτήθηκε ο Richard Feynman στη μνημειώδη διάλεξή του κατά την απονομή του βραβείου Nobel. Η απάντησή του σε σχετικό άρθρο ήταν αφετηρία για την αποκάλυψη ενός νέου επιστημονικού πεδίου: των κβαντικών υπολογιστών και των σχετικών τεχνολογιών. Από το 1981 μέχρι σήμερα, το ταξίδι των κβαντικών υπολογιστών υπήρξε ιδιαίτερα δημιουργικό. Στο θεωρητικό επίπεδο, έχουν σχεδιαστεί κβαντικοί αλγόριθμοι που θεμελιώνουν τον τρόπο λειτουργίας αυτών των υπολογιστών. Στο φυσικό επίπεδο, έχουν υλοποιηθεί και δοκιμαστεί κβαντικές μονάδες επεξεργασίας, διευρύνοντας συνεχώς τα όρια της επιστημονικής και τεχνολογικής μας γνώσης.

Η ερευνητική δραστηριότητα είναι πλέον έντονη σε παγκόσμιο επίπεδο, και τα επιτυχημένα αποτελέσματα πυκνώνουν. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι διανύουμε την απαρχή μιας δεύτερης κβαντικής επανάστασης, και η πρόκληση είναι σαφής: να στραφούμε προς αυτή τη νέα πραγματικότητα και να προετοιμαστούμε κατάλληλα. Η κατανόηση των αρχών λειτουργίας ενός κβαντικού υπολογιστή δεν είναι εύκολη, καθώς διέπεται από τους νόμους της κβαντικής φυσικής – μιας θεωρίας που συχνά έρχεται σε αντίθεση με τις διαισθητικές αντιλήψεις που έχουμε για τον μακρόκοσμο και τον ντετερμινιστικό χαρακτήρα του αλλά αποτελεί το απόλυτο εργαλείο περιγραφής του μικρόκοσμου μέσα από μια πιθανοτική προσέγγιση.

Η βασική μονάδα ενός κβαντικού υπολογιστή είναι το κβαντικό bit, ή qubit. Σε αντίθεση με το κλασικό bit, το qubit μπορεί να βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων – δηλαδή, να βρίσκεται ταυτόχρονα στις τιμές 0 και 1, με μιγαδικούς συντελεστές. Αυτή η ιδιότητα του επιτρέπει να επεξεργάζεται πληροφορία με τρόπο παράλληλο. Όταν μετράται, το qubit καταλήγει σε μία μόνο από τις δυνατές καταστάσεις (0 ή 1), με πιθανότητες που εξαρτώνται από την υπέρθεση. Η υπέρθεση πολλών qubits δημιουργεί μια συλλογική κατάσταση που περιλαμβάνει εκθετικά πολλές δυνατές κλασικές καταστάσεις. Ωστόσο, η απλή ύπαρξη υπέρθεσης δεν αρκεί για την επίλυση ενός προβλήματος. Χρειάζεται ένας κβαντικός αλγόριθμος, που να καθοδηγεί την εξέλιξη του συστήματος μέσω μιας σειράς κβαντικών πυλών, ώστε η τελική μετρούμενη κατάσταση να περιέχει τη λύση του προβλήματος.

Πολλοί από αυτούς τους αλγορίθμους έχουν ήδη σχεδιαστεί για να επιλύουν κρίσιμα προβλήματα, από τη χημεία και τη φαρμακολογία μέχρι την κρυπτογραφία και τη βελτιστοποίηση. Παράλληλα, η ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής μάθησης δημιουργεί νέες δυνατότητες, επεκτείνοντας περαιτέρω το πεδίο εφαρμογών. Και τώρα βρισκόμαστε στο μεταίχμιο: η θεωρία αρχίζει να γίνεται πράξη. Ο αριθμός των υλοποιήσιμων qubits αυξάνεται με ταχείς ρυθμούς, και τεχνικές διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων – απαραίτητες για την πρακτική αξιοποίηση – ενσωματώνονται στα κβαντικά κυκλώματα. Τεχνολογικοί γίγαντες στον χώρο των υπολογιστών (Google, Microsoft, IBM, κ.λπ.) αλλά και ένας μεγάλος αριθμός ραγδαία αναπτυσσόμενων νεοφυών εταιρειών και κορυφαίων ερευνητικών ιδρυμάτων επενδύουν μαζικά στον κβαντικό υπολογισμό. Οι εξελίξεις βρίσκονται σε εκθετική ανάπτυξη και είναι τόσο ραγδαίες, που μοιάζουν με επιστημονική φαντασία που γράφεται σε πραγματικό χρόνο.

Και το μέλλον;

Το στοίχημα δεν είναι μόνο τεχνολογικό· είναι και εκπαιδευτικό, πολιτισμικό και κοινωνικό. Αν όντως ανοίγεται μπροστά μας ένα παράλληλο σύμπαν υπολογιστικής ισχύος, η πρόκληση για τους επιστήμονες και την κοινωνία είναι η προσαρμογή, η εκπαίδευση και η αξιοποίηση της νέας γνώσης. Οπως είπε και ο ίδιος ο Feynman: «What I cannot create, I do not understand».

Ίσως ήρθε η ώρα, όχι απλώς να κατανοήσουμε, αλλά να δημιουργήσουμε στο νέο αυτό σύμπαν.

Το εργαστήριο του Τμ. Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του ΕΚΠΑ πρωτοπορεί στις περιοχές των κβαντικών τεχνολογιών που σχετίζονται με θέματα κβαντικής κρυπτογραφίας και κβαντικής υπολογιστικής / κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης και μηχανικής μάθησης. Ήδη από το 2021 σε συνεργασία με φορείς του Δημοσίου παρέχει πρωτοποριακές λύσεις στον χώρο της κυβερνο-ασφάλειας χρησιμοποιώντας τεχνολογίες κβαντικής διανομής κρυπτογραφικής κλείδας. Διαθέτει εργαστήριο με κορυφαίο εξοπλισμό σε παγκόσμιο επίπεδο και μοναδικό στην Ελλάδα, όπου οι εξελισσόμενες λύσεις δοκιμάζονται και πιστοποιούνται. Έχει την τεχνική ευθύνη του σχεδιασμού και υλοποίησης του έργου της δημιουργίας κβαντικών δικτυακών υποδομών στη χώρα με Εθνική/Ευρωπαϊκή χρηματοδότηση.

Παράλληλα, πρωτοπορώντας και πάλι υλοποιεί λύσεις που βασίζονται στους μετα-κβαντικούς αλγορίθμους για την επέκταση του κβαντικού δικτύου που θα βρίσκεται σε πλήρη λειτουργία από το 2026 σε έναν ευρύτερο αριθμό κόμβων / χρηστών με στόχο μια δικτυακή λύση που δεν θα απειλείται από κυβερνο-επιθέσεις βασισμένες στη χρήση κβαντικών υπολογιστών

Στον χώρο της κβαντικής υπολογιστικής / κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης και μηχανικής μάθησης η δραστηριότητα του εργαστηρίου είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτη. Η φιλοσοφία που επιλέχθηκε για την ανάπτυξη των μεθόδων και αλγορίθμων κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης βασίζεται τόσο στην αξιοποίηση μικρών κβαντικών υπολογιστών στην παροχή λύσεων που υπερέχουν σε σχέση με τις υπάρχουσες «συμβατικές» αλγοριθμικές λύσεις τόσο ως προς την κατανάλωση ενέργειας αλλά και τις σχετικές επιδόσεις όσο και ως προς την κβαντική υπεροχή με τη χρήση κβαντικών υπολογιστών μεγάλης  κλίμακας.

Όλες οι παραπάνω δραστηριότητες περιέχονται σε έναν μεγάλο αριθμό δημοσιεύσεων ανακοινώσεων σε κορυφαία παγκόσμια περιοδικά και συνέδρια (πάνω από 20 τα τελευταία τρία χρόνια) από μια ομάδα καθηγητών, έμπειρων ερευνητών, μεταδιδακτόρων, υποψηφίων διδακτόρων και φοιτητών. Παράλληλα το τμήμα αποτελεί φυτώριο νέων επιστημόνων καθώς διδάσκονται μαθήματα κβαντικής υπολογιστικής και κβαντικής μηχανικής μάθησης σε μεταπτυχιακό αλλά και προπτυχιακό επίπεδο.

«Κύριε Feynman, τελικά δεν αστειευόσασταν!»