Kvantiniai kompiuteriai jau kuris laikas nesitraukia iš technologijų naujienų antraščių, tačiau dauguma žmonių, girdėdami šį terminą, vis tiek įsivaizduoja kažką tarp mokslinės fantastikos ir super galingo nešiojamojo kompiuterio. Tiesa yra kur kas įdomesnė ir kartu sudėtingesnė. Tai nėra tiesiog „greitesnis kompiuteris” – tai visiškai kitokia skaičiavimo logika, kuri remiasi kvantine fizika, o ne tais principais, kuriais veikia telefonas jūsų kišenėje ar serveris, laikantis šį tekstą internete.
Kas iš tikrųjų slypi po kvantinio kompiuterio gaubtu
Klasikinis kompiuteris viską skaičiuoja bitais – nuliais ir vienetais. Kiekvienu momentu bitas yra arba 0, arba 1, be jokių pusinių variantų. Kvantinis kompiuteris naudoja kubitus (angl. qubit), kurie, dėka kvantinės mechanikos reiškinio, vadinamo superpozicija, gali būti vienu metu ir 0, ir 1 – tiksliau, tam tikru tikimybiniu deriniu tarp jų. Tai skamba paradoksaliai, bet taip veikia gamta subatominiu lygiu.
Prie superpozicijos prisideda ir kitas reiškinys – kvantinis susietumas (entanglement). Kai du kubitai yra susieti, vieno kubito matavimas iškart daro poveikį kito būsenai, net jei jie fiziškai atskirti didesniu atstumu. Einšteinas šį reiškinį kadaise pavadinęs „šiurpiu veikimu per atstumą” ir, tiesą pasakius, jam ir patiems fizikams tai kėlė nemenką galvos skausmą. Bet praktikoje šis reiškinys – tikras skaičiavimo galios šaltinis, nes leidžia kvantiniam kompiuteriui vienu metu apdoroti daugybę galimų variantų, o ne eiti per juos vieną po kito, kaip daro klasikinis procesorius.
Kodėl paprastas dauginimas iš dviejų tampa iššūkiu
Vienas dažniausių klausimų – kodėl tokių kompiuterių tiesiog neįjungi ir nenaudoji kaip įprasto laptopo. Atsakymas slypi tame, kad kubitai yra nepaprastai jautrūs. Bet koks šiluminis triukšmas, elektromagnetinis lauko svyravimas ar net kosminis spindulys gali sugriauti trapią kvantinę būseną – šis procesas vadinamas dekoherencija. Todėl daugelis šiuolaikinių kvantinių kompiuterių veikia temperatūrose, artimose absoliučiam nuliui – tai šaltesnė aplinka nei atviroje kosmoso erdvėje.
Dėl šios priežasties kvantiniai kompiuteriai šiandien primena ne kompaktišką dėžutę ant stalo, o didžiulę mokslinę instaliaciją su kriogeninėmis sistemomis, lazeriais ar superlaidžiais grandinėmis, užimančią nemažą laboratorijos kambario dalį. Google, IBM, Rigetti bei kitos kompanijos konkuruoja tarpusavyje, siekdamos padidinti kubitų skaičių ir kartu sumažinti klaidų kiekį – tai dvi priešingos jėgos, kurias derinti nėra paprasta.
Trumpa, bet įdomi istorija
Idėja apie kvantinius skaičiavimus nėra visai nauja – ji siekia praėjusio amžiaus devintąjį dešimtmetį, kai fizikas Richard Feynman pastebėjo, jog klasikiniai kompiuteriai tiesiog nesugeba efektyviai imituoti kvantinių sistemų. Jo mintis buvo paprasta: jeigu norite modeliuoti kvantinį pasaulį, geriausia tam naudoti kitą kvantinę sistemą. Vėliau, 1994 metais, matematikas Peter Shor pristatė algoritmą, kuris teoriškai leistų kvantiniam kompiuteriui labai greitai faktorizuoti didelius skaičius – tai reiškia, kad daugelis šiandien naudojamų šifravimo sistemų, tokių kaip RSA, teoriškai taptų pažeidžiamos.
Nuo tada iki šių dienų prabėgo daugiau nei trys dešimtmečiai eksperimentų, nesėkmių ir laipsniško progreso. 2019 metais Google paskelbė apie tai, kad jų kvantinis procesorius „Sycamore” atliko skaičiavimą, kuris klasikiniam superkompiuteriui, jų teigimu, užimtų tūkstančius metų. Šis pranešimas sukėlė nemažą diskusiją – dalis mokslo bendruomenės ginčijosi, ar tikrai tai buvo praktiškai naudingas skaičiavimas, ar tiesiog demonstracinis triukas. Vėliau IBM ir kitos kompanijos pateikė savo argumentus, kad klasikiniai kompiuteriai su tinkamu optimizavimu galėjo tą pačią užduotį atlikti kur kas greičiau. Ši istorija gerai parodo, kaip sudėtinga objektyviai įvertinti kvantinę pranašumą – terminas, kuris angliškai vadinamas „quantum advantage”.
Kam tai iš tikrųjų naudinga
Verta iškart nuvilti tuos, kurie tikisi, kad kvantiniai kompiuteriai pakeis įprastus kompiuterius namuose ar darbe. Tikriausiai ne. Jie nėra sukurti internetui naršyti ar tekstams rašyti. Vietoj to, jie pasižymi ypatinga galia sprendžiant konkrečias, labai specifines užduotis, kuriose reikia ieškoti optimalaus sprendimo tarp astronominio skaičiaus variantų.
- Vaistų ir medžiagų kūrimas – molekulių sąveikos modeliavimas yra užduotis, kuri klasikiniams kompiuteriams tampa nepakeliama jau nuo vidutinio dydžio molekulių.
- Kriptografija – kaip minėta, kvantiniai algoritmai gali sugriauti dalį šiandienos šifravimo standartų, todėl paraleliai vystoma ir „postkvantinė kriptografija”, kuri turėtų atsilaikyti prieš tokias atakas.
- Logistika ir optimizacija – maršrutų planavimas, finansų portfelio optimizavimas, tiekimo grandinių valdymas – visur, kur reikia rasti geriausią sprendimą tarp milijardų variantų.
- Dirbtinis intelektas – tam tikri mašininio mokymosi modeliai teoriškai gali pasinaudoti kvantiniais skaičiavimais tam tikrų duomenų struktūrų atpažinimui.
Vis dėlto, dauguma šių pritaikymų šiandien tebėra ne kasdienė praktika, o intensyvūs tyrimai. Realaus, plataus komercinio pritaikymo, kuris pakeistų visą pramonę, dar reikės palaukti – tikriausiai ne vienerius metus.
Ar Lietuva turi ką pasakyti šioje srityje
Nors kvantinių kompiuterių gigantai – JAV, Kinija, Vokietija, Kanada – dominuoja žiniasklaidoje, Lietuva taip pat nestovi visiškai nuošalyje. Vilniaus universitete, Fizikos fakultete, veikia mokslininkų grupės, tiriančios kvantinę optiką ir su ja susijusius reiškinius, kurie yra tiesiogiai susiję su kvantinių technologijų pagrindais. Taip pat Lietuvoje egzistuoja lazerinės technologijos pramonė – kompanijos, kurios tiekia komponentus, naudojamus tiek kvantinės kriptografijos, tiek kvantinio kompiuterio eksperimentuose visame pasaulyje. Nors tai gali skambėti ne taip įspūdingai kaip turėti savo kvantinį procesorių, praktiškai tai reiškia, kad lietuviškos technologijos netiesiogiai prisideda prie pasaulinio kvantinių tyrimų proceso.
Be to, Europos Sąjungos mastu veikia iniciatyva „Quantum Flagship”, kurioje dalyvauja ir Lietuvos institucijos, siekiančios pritraukti finansavimą kvantinių technologijų plėtrai. Tai lėtas, bet nuoseklus procesas – panašus į tai, kaip prieš dešimtmetį atrodė investicijos į biotechnologijas ar lazerių pramonę, kuri šiandien Lietuvai atnešė tarptautinį pripažinimą.
Kokie iššūkiai stabdo šią technologiją
Nereikėtų vaizduoti, kad kelias link masinio kvantinių kompiuterių naudojimo yra tiesus ir sklandus. Priešingai – kliūčių yra tikrai daug.
Pirma, klaidų taisymas. Kubitai yra nepatikimi – jie „triukšmauja”, praranda informaciją, klysta. Norint sukurti vieną patikimą, „logišką” kubitą, dažnai reikia sujungti dešimtis ar net šimtus fizinių kubitų su klaidų taisymo mechanizmais. Tai reiškia, kad realiam praktiniam pritaikymui gali reikėti milijonų fizinių kubitų, kai šiandien pažangiausi procesoriai turi jų tik kelis šimtus arba tūkstantį.
Antra, mastelio didinimas. Padidinti kubitų skaičių išlaikant jų kokybę – tai kaip statyti aukštesnį pastatą, nepakeičiant pamatų. Kai kurios technologijos, tokios kaip superlaidūs kubitai (kuriuos naudoja IBM ir Google), susiduria su vienais apribojimais, o joninių gaudyklių (angl. trapped ion) technologijos – su visai kitais. Šiuo metu dar nėra visiško sutarimo, kuri fizinė platforma laimės šią lenktynę – galbūt ateityje jos susilies, o galbūt liks kelios konkuruojančios technologijos, panašiai kaip skirtingi variklių tipai automobilių pramonėje.
Trečia – specialistų trūkumas. Kvantinė fizika ir programavimas yra reta kompetencijų kombinacija, todėl pasaulyje trūksta žmonių, galinčių tiek suprasti fizikinius principus, tiek juos paversti veikiančiais algoritmais.
Ką iš viso šito verta pasiimti sau į galvą
Jeigu norite sekti šią temą be įtempto techninio žargono, geriausia atsiminti kelis dalykus. Kvantinis kompiuteris nepakeis jūsų nešiojamojo kompiuterio – jis tiesiog specializuosis kitose užduotyse, kur klasikiniai skaičiavimai užsikimšta. Antra, jeigu skaitote apie „kvantinę pranašumą” ar rekordinius pasiekimus, verta žiūrėti kritiškai – dažnai tokie pranešimai yra labiau rinkodaros nei praktinės naudos demonstracija. Trečia, kriptografijos pasaulis jau ruošiasi kvantinei erai – jei domitės kibernetiniu saugumu, verta pasidomėti terminu „postkvantinė kriptografija”, nes ji ateityje neišvengiamai pasieks ir įprastas sistemas, su kuriomis dirbate darbe.
Norintiems giliau pažinti šią sritį, patariu nesikoncentruoti vien į techninius aspektus, bet pažiūrėti ir į ekonominę bei geopolitinę pusę – kvantinės technologijos šiandien yra svarbi strateginė sritis, kurioje konkuruoja ne tik kompanijos, bet ir valstybės, siekiančios technologinio pranašumo. Lietuvai, kaip mažai, bet mokslui atvirai šaliai, verta stebėti šį lauką ir per švietimo sistemą ugdyti fizikus, inžinierius bei programuotojus, gebančius suprasti šią naują skaičiavimo kalbą – nes kai kvantinės technologijos galiausiai subręs iki plataus pritaikymo, geriau būti tarp tų, kurie supranta, kas vyksta, nei tarp tų, kurie skaito apie tai tik naujienų portaluose.
