Kaip vienas kvantinis kompiuteris gali atlikti tokias užduotis, kurioms įprastas sugaištų tūkstančius metų?

Vienas kompiuteris išsprendžia uždavinį per sekundes, o kitas – per tūkstantmečius. Pastarasis yra mūsų kasdien naudojamas kompiuteris, o pirmasis yra kvantinis, kurio galimybės mūsų protui kartais atrodo nesuvokiamos. Štai „Google“ anonsuoja, kad jų sukurtas kvantinis kompiuteris kasdien sukuria tiek duomenų, kiek 5 milijonai klasikinių kompiuterių. Sunku net įsivaizduoti tokius skaičius, tačiau mokslininkai sako, kad tai mūsų ateitis.

Kas yra kvantinės technologijos?

Kaip LRT.lt aiškino fizikos mokslų daktarė Mažena Mackoit-Sinkevičienė, žodžiai „kvantinis“, „kvantas“ kilę iš lotynų kalbos – quantus – ir yra susiję su kiekiu, tiesiogiai verčiama „kiek daug?“ Fizikoje šį žodį pirmasis pradėjo vartoti kvantinės mechanikos tėvu vadinamas Maxas Planckas.

„Planckas nepabijojo pasiūlyti visiškai naujos idėjos, kad šviesa pas mus ateina ne kaip vientisa energijos forma, o mažais energijos paketais, kuriuos pavadino kvantais. Panašiai yra su dalelėmis, pavyzdžiui, elektronais, kurie peršokdami tarp skirtingų energijos lygmenų įgauna arba atiduoda tik tam tikras diskrečias energijos vertes, kurias vadiname energijos kvantais. Taigi, materija mažiausiu mastu yra ne tęstinė, o diskreti, ir tokius objektus mes vadiname kvantiniais objektais“, – teigė mokslininkė.

Pasak jos, kvantinės technologijos veikia pagal kvantinės fizikos dėsnius, todėl, kai kalbame apie kvantinius dalykus, iš tikrųjų turime omenyje be galo mažus objektus atomo dydžio skalėje – subatomines daleles, tokias kaip elektronai, protonai, neutronai, kvarkai, gliuonai ir t. t.

Tokie objektai yra lengvi ir maži, o jų judėjimas ir tarpusavio sąveikos itin trumpos. Šių dalelių sąveikai aprašyti netinka klasikinės mechanikos Niutono dėsniai, sakė fizikė, o gaunami rezultatai skiriasi nuo mūsų kasdienės patirties. Taip yra todėl, kad subatominės dalelės elgiasi ne visai kaip tikros dalelės, o labiau kaip bangos tuo pačiu metu.

„Tai yra bangų dalelių dualumas, pagrindinė kvantinio pasaulio savybė, kuri būdinga tik labai mažiems objektams“, – tvirtino M. Mackoit-Sinkevičienė.

Kaip kasdienybėje veikia kvantinė fizika ir kodėl mes jos nepastebime?

Kvantinė fizika daugeliui mūsų atrodo kaip ne šio pasaulio mokslas, kurį ir sunku suprasti, ir patirti kasdienybėje. Dažniausiai šios fizikos šakos nė nepastebime. Pasak mokslininkės, taip atsitinka todėl, kad didėjant objektams kvantiniai efektai mažėja.

„Čia kalbama apie nedviprasmišką kvantinį elgesį, apie daleles, kurios elgiasi kaip bangos. Matote, bangos ilgis mažėja didėjant impulsui, o dideli objektai turi didelį impulsą – impulsas yra susijęs su mase ir greičiu. Taigi, visų makroskopinių objektų, tokių kaip aš ar skaitytojų, vaikščiojančių po savo kambarį, impulsas yra didelis, o bangos ilgis be galo mažas. Tai reiškia, kad didžiąja dalimi kvantiniai reiškiniai apsiriboja atomais ir dalelėmis, kurių masės ir greičiai maži, bet bangos ilgiai dideli, ir tą mes galime tiesiogiai stebėti atlikdami eksperimentus“, – pasakojo fizikė.

Nors kvantinė fizika kasdienybėje beveik nepastebima, iš tiesų ji gali drastiškai pakeisti tai, kaip veikia mūsų informacinės technologijos. Kaip aiškino M. Mackoit-Sinkevičienė, tokių kvantinių dalelių būsenas galima specialiai paruošti, supinti ar net valdyti ir mokslininkai jau moka tai padaryti.

„Turiu omenyje dalelių kvantinį susietumą, kuris leis perduoti kvantinę informaciją ryšio kanalais ir ten negalios grubios jėgos atakos (angl. brute-force attack) ar kitos aukšto lygio interneto atakos, nes patys fizikos dėsniai užtikrins, kad bet koks bandymas pasiklausyti neliks nepastebėtas. Toks susietumas yra kvantinių komunikacijų ir kvantinių jutiklių pagrindas. Jį galima suprasti kaip kvantinį ryšį tarp dviejų objektų, verčiantį juos elgtis taip, lyg jie būtų vienas kvantinis objektas.

Kitas kvantinių technologijų pranašumas yra kvantinės superpozicijos sukūrimas. Kvantinė superpozicija užtikrins neįtikėtinai didelio pajėgumo skaičiavimo ir simuliacijų aparatą, kalbama apie kvantinio kompiuterio sukūrimą. Superpozicijoje esanti dalelė vienu metu yra kelių būsenų. Klasikiniu būdu superpoziciją perteikti sunku, bet norėdami geriau suprasti įsivaizduokite besisukančią monetą, kuri yra skaičiaus ir herbo superpozicijoje tol, kol nustos suktis ir nukris ant šono, arba sugrokite dvi natas tuo pat metu ir turėsite šių natų superpoziciją. Yra ir kitų įdomių kvantinių efektų, kuriuos galime panaudoti kurdami kvantines technologijas“, – LRT.lt aiškino fizikos mokslų daktarė.

Kodėl pasauliui prireikė kvantinių kompiuterių?

Mažena Mackoit-Sinkevičienė prie „VU HPC Saulėtekis“ superkompiuterio, su kuriuo atliekami kvantmechaniniai skaičiavimai ir modeliavimai / Asmeninio archyvo nuotr.

Ypač daug dėmesio technologijų pasaulyje sulaukia kvantiniai kompiuteriai. Kuo jie skiriasi nuo įprastų, kuriais dirbame kasdien?

Kaip teigė M. Mackoit-Sinkevičienė, paprasto kompiuterio širdis yra procesorius, kuriame kiekvienas tranzistorius veikia tarsi jungiklis: įjungtas duoda vienetą, o išjungtas nulį – tai yra bitas, informacijos matavimo vienetas. Ji priminė, jog pirmieji procesoriai turėjo viso labo tik 2 000 tranzistorių, o per 50 metų turėjome progą pamatyti itin spartų kompiuterių galios augimą.

„Per keletą dešimtmečių nuoseklaus darbo inžinerijos, fizikos, matematikos ir medžiagų mokslo srityse išmokome sudėlioti milijardus tranzistorių į mažą plotą, būtent tai ir yra šiuolaikinio kompiuterio galios apibrėžimas. Galėčiau pateikti kaip pavyzdį modernų telefoną, kuriame sudėta apie tris milijardus tranzistorių.

Ties tuo nesustojome ir išmokome kurti superkompiuterius, sudarytus iš tūkstančių galingų kompiuterių su dešimtimis skaičiavimo branduolių. Tokie superkompiuteriai geba atlikti milijardus ir trilijonus skaičiavimų per sekundę, tai įspūdingi skaičiai. Deja, bet tolesnis tranzistorių skaičiaus didinimas pasieks aklagatvį, nes gaminti vis mažesnius tranzistorius yra sudėtinga, o paieškos naujų algoritmų, kurie išspręstų tas pačias užduotis greičiau, irgi jau pasiekė ribą, mums būtinos alternatyvos“, – kalbėjo mokslininkė.

Štai kodėl pasauliui prireikė kvantinio kompiuterio. Jame skaičiavimo vienetas yra viena dalelė: elektronas, jonas, atomas, kurio sukinys nulems, ar turėsime nulį, ar vienetą. Fizikė teigė, kad galima paimti net fotoną, kurio poliarizacijoje lygiai taip pat galima užkoduoti nulį arba vienetą.

„Nuostabioji dalis čia ta, kad gamtoje nėra jungiklių ir tarp 0 bei 1 gali būti ir kitų būsenų arba kelios būsenos vienu metu, todėl tai vadiname kvantiniu bitu, arba kubitu. Pasitelkę kvantinės fizikos žinias, mes konstruojame kvantinį kompiuterį, kuriame galima išsaugoti begalę skirtingų kombinacijų, nulio ir vieneto superpozicijų, ir tokia skirtingų tikimybių saugykla tuo pat metu leidžia spręsti sudėtingus uždavinius, kurių paprastais kompiuteriais, deja, neišspręsime.

Žinoma, ne taip lengva priversti kubitus veikti išvien. Šiuo metu pasaulyje ieškoma optimalaus kubito, kuris tiktų kvantiniams kompiuteriams: jonai, superlaidininkai, deimantai ir kiti dalykai. Kiekvienas jų turi praeiti savo kliūtis, kokybiškiems kubitams būtina sukurti klaidų taisymo algoritmus, be to, reikalingos labai tylios sistemos, kuriose nėra trikdžių ir fliuktuacijų, jokio triukšmo, nes tokie kubitai yra trapūs ir jautrūs aplinkai.

Būtent dėl to IBM ir „Google“ naudoja didelius šaldytuvus, kurie atšaldo Džosefsono jungtis, pagamintas iš superlaidininkų, iki šiek tiek aukščiau negu absoliutaus nulio. Vienas iš tokių šaldytuvų yra apie 5–6 metrų aukščio ir metro pločio. Tai pirmieji kvantinių kompiuterių prototipai. Tuo tarpu kvantiniuose kompiuteriuose, kuriuose naudojami jonai, kuriamas aukštas vakuumas, naudojami lazerio pluoštai optinėms gardelėms sukurti, kuriose pagaunami jonai. Fizikai juokauja, kad optinės gardelės jonams – tarsi dėžutės kiaušiniams. Specialia programine įranga nurodama norima konfigūracija ir šimtai kubitų sujungiami tarpusavyje. Iš minėtų pavyzdžių matome, kad čia sudėtingos didelės sistemos ir nešiojamasis kompiuteris vienareikšmiškai skiriasi nuo kvantinio kompiuterio“, – LRT.lt pasakojo fizikė.

Kaip kvantiniai kompiuteriai gali būti panaudojami?

Įvertinti tai, ar kvantinis kompiuteris yra pranašesnis už įprastą kompiuterį, leidžia kvantinių skaičiavimų pranašumo taškas (angl. quantum supremacy). Tai pagrindinis rodiklis vertinant kvantinius kompiuterius, parodantis, kad kvantinis kompiuteris atlieka kai kuriuos skaičiavimus, kurių klasikinis kompiuteris neatliks per protingą laiko tarpą.

Kaip priminė M. Mackoit-Sinkevičienė, 2019 metais pirmą kartą tai pademonstravo „Google Sycamore“ kvantinis procesorius, pasiekęs šį tašką, o 2021 metais net dvi kinų mokslininkų grupės pradėjo teigti, kad padarė tą patį, tik rezultatai dar geresni. Kad būtų galima palyginti, apie ką kalbama, įsivaizduokite, jog klasikinis kompiuteris lygiai tą pačią užduotį spręstų tūkstančius metų. Tūkstančius!

Vis dėlto praktiškai panaudojamo kvantinio kompiuterio mes dar neturime, nes uždaviniai, su kuriais testuojami dabartiniai, neturi jokios praktinės reikšmės. Tiesa, pasak mokslininkės, toks šių technologijų panaudojimas jau artėja prie realybės.

„Kai „Google“ pranešė, turime suprasti, kad net 70 žmonių penkerius metus dirbo ir perprato inžineriją, jie parodė vieną testinį uždavinį su savo kvantiniu procesoriumi, o tada paėmė galingiausią pasaulio superkompiuterį ir paleido uždavinį jame. Ar tai ir yra kvantinių skaičiavimų pranašumo įrodymas? Tai nėra esmė, nes tai jų rinkodaros dalis.

Mano manymu, mes jau pasiekėme kryžkelę. Dabar privalome išmokti kurti uždavinius tokiems kvantiniams kompiuteriams, išmokti parašyti kvantinius algoritmus, t. y. norint suprasti, kaip kvantinis kompiuteris rezultatą gali gauti greičiau nei klasikinis kompiuteris, yra naudinga panagrinėti kvantiniam kompiuteriui skirtus algoritmus. Taigi, praktinis kvantinis kompiuteris, kuris spręs mūsų uždavinius, artėja prie realybės, bet kai kurioms paprastoms užduotims klasikinis kompiuteris yra pigesnis ir paprastesnis“, – tikino M. Mackoit-Sinkevičienė.

Pašnekovė aiškino, kad raktinis uždavinys kvantinei kompiuterijai yra biologinių sistemų modeliavimas, kuris leis kurti naujas medžiagas, net neegzistuojančias gamtoje, tačiau energetiškai stabilias ir turinčias įdomių savybių. Tokios medžiagos galėtų pasitarnauti kuriant našesnius saulės elementus. Kvantinis kompiuteris taip pat galėtų padėti kurti naujus vaistus simuliuojant chemines reakcijas tarp molekulių.

Kitas dalykas, būtų galima atlikti ir kompleksinį mūsų kasdienio gyvenimo planavimą, užtikrinti saugią komunikaciją.

„Dabartiniai būdai kaip, įvykdyti saugią elektroninę komunikaciją, ateityje nebebus saugūs, todėl reikalingi nauji metodai saugiai komunikacijai, čia turiu omenyje kvantinę kriptografiją. Aišku, yra uždavinių, tai vadinamieji pristatymo maršrutai ieškant efektyviausio logistinio kelio, pavyzdžiui, siuntų pristatymo tvarka, kuriuos sudėtinga išspręsti. Mokslininkus domintų tam tikrų procesų, vykstančių kosmose, simuliavimas, fundamentiniai tyrimai siekiant suprasti mūsų pasaulį.

Pastaruoju metu Europos Komisija steigia didelius konsorciumus ir organizuoja ištisas kvantinių technologijų edukacines sesijas, skirtas tiek suaugusiesiems, tiek jaunimui. Praeitais metais įvyko pirmoji Europoje kvantinių technologijų edukacinė sesija ir Lietuva joje pasiekė didžiausius aktyvumo rodiklius: virš 80 mokyklų, įmonių, įvairių centrų ir virš 1 440 dalyvių. Viso pasaulio kvantinių technologijų ekspertai jungiasi tarpusavyje, praeitais metais buvo įsteigtas Pasaulinės kvantinės dienos judėjimas balandžio 14 dieną, 2022-aisiais Pasaulinę kvantinę dieną švęs net 65 pasaulio šalys ir Lietuva bus tarp jų.

Šiais metais buvau išrinkta Lietuvos kvantinių technologijų ambasadore ruošiantis šiam dideliam įvykiui – Pasaulinei kvantinei dienai. Kas mėnesį dalyvauju virtualiuose posėdžiuose su Masačusetso technologijos institutu, Oksfordo, Birmingamo ir kitų universitetų mokslininkais, taip pat su CERN bei kvantinių technologijų įmonių ekspertais. Norime rengti paskaitas, specialias TV laidas, mokslines ekskursijas į laboratorijas ir net mokslo bei meno parodas šia tema. Lietuva turi nemažai talentingų mokslininkų, dirbančių šiose srityse“, – pasakojo M. Mackoit-Sinkevičienė.