Pasaulį gali sudrumsti nauja revoliucija: kvantinė kompiuterija. Paaiškino, ko galima tikėtis

Kvantiniai reikalai reiškia atomų ir molekulių mastelį, kuriame mūsų fizikos dėsniai suyra ir galioja kitokie – priešingai nei įprasta – dėsniai. Kvantiniai kompiuteriai spręsdami problemas naudojasi šia keista elgsena, pasakoja Pietų Kalifornijos universiteto (JAV) inžinerijos, chemijos, fizikos ir astronomijos profesorius Danielis Lidaras.

Pasak jo, yra tam tikrų tipų problemų, kurias spręsti klasikiniais kompiuteriais būtų nepraktiška – pavyzdžiui, „laužyti“ moderniausius šifravimo algoritmus. Pastarųjų dešimtmečių tyrimai parodė, kad kvantiniai kompiuteriai gali išspręsti kai kurias iš šių problemų. Jei pavyks sukurti kvantinį kompiuterį, kuris iš tikrųjų išspręs vieną iš šių problemų, bus įrodytas kvantinis pranašumas.

D. Lidaras yra fizikas, tyrinėjantis kvantinį informacijos apdorojimą ir kvantinių sistemų valdymą.

„Manau, kad ši mokslo ir technologijų naujovių riba žada ne tik revoliucinę pažangą skaičiavimo srityje, bet ir reiškia platesnį kvantinių technologijų pakilimą, įskaitant didelę pažangą kvantinės kriptografijos ir kvantinio jutimo srityse“, – teigia jis.

Kvantinių skaičiavimų galios šaltinis

Pagrindinis kvantinių skaičiavimų elementas yra kvantinis bitas – kubitas. Skirtingai nuo klasikinių bitų, kurie gali turėti tik 0 arba 1 reikšmes, kubitas gali būti bet kokios būsenos, kuri yra 0 ir 1 derinys.

Ši būsena – kai nėra nei tik 1, nei tik 0 – vadinama kvantine superpozicija. Su kiekvienu papildomu kubitu padvigubėja būsenų, kurias gali atvaizduoti kubitai, skaičius. Ši savybė dažnai klaidingai laikoma kvantinių kompiuterių galios šaltiniu. Vietoje to, ji priklauso nuo sudėtingos superpozicijos, interferencijos ir susietumo sąveikos, teigia D. Lidaras.

Jis pasakoja, kad interferencija apima manipuliavimą kubitais taip, kad jų būsenos skaičiavimų metu konstruktyviai susijungtų ir sustiprintų teisingus sprendimus bei destruktyviai slopintų neteisingus atsakymus.

Konstruktyvioji interferencija – tai, kas atsitinka, kai dviejų bangų (pavyzdžiui, garso ar vandenyno bangų) viršūnės susijungia ir sukuria aukštesnę viršūnę. Destruktyvioji interferencija vyksta, kai bangos viršūnė ir bangos apačia susijungia ir viena kitą panaikina. Kvantiniai algoritmai, kurių yra nedaug ir kuriuos sunku sukurti, nustato interferencijos modelių seką, pagal kurią gaunamas teisingas problemos atsakymas.

Kvantinis susipynimas nustato unikalią kvantinę koreliaciją tarp kubitų: vieno iš jų būsena negali būti aprašyta nepriklausomai nuo kitų, nesvarbu, kaip toli vienas nuo kito yra kubitai. Tai yra tai, ką Albertas Einsteinas garsiai atmetė kaip „bauginantį veikimą per atstumą“. Kolektyvinis susietumo elgesys, organizuojamas kvantiniame kompiuteryje, leidžia padidinti skaičiavimo greitį, kuris nepasiekiamas klasikiniams kompiuteriams.

Kvantinės kompiuterijos taikymai

Kvantiniai skaičiavimai gali būti naudojami įvairiais būdais. Kriptografijoje kvantiniai kompiuteriai yra ir galimybė, ir iššūkis. Pavyzdžiui, jie gali iššifruoti dabartinius šifravimo algoritmus – pavyzdžiui, plačiai naudojamą RSA schemą.

Viena iš to pasekmių yra ta, kad dabartinius šifravimo protokolus reikėtų pertvarkyti taip, kad jie būtų atsparūs būsimoms kvantinėms atakoms. Dėl šio dalyko suvokimo atsirado sparčiai auganti postkvantinės kriptografijos sritis. Po ilgo proceso JAV Nacionalinis standartų ir technologijų institutas neseniai atrinko keturis kvantams atsparius algoritmus ir pradėjo jų parengimo procesą, kad organizacijos visame pasaulyje galėtų juos naudoti savo šifravimo technologijose.

Be to, kvantiniai skaičiavimai gali labai pagreitinti kvantinį modeliavimą – galimybę numatyti kvantinėje sferoje atliekamų eksperimentų rezultatus. Fizikos legenda Richardas Feynmanas šią galimybę numatė daugiau nei prieš 40 metų.

Kvantinis modeliavimas taip pat suteikia galimybę padaryti didelę pažangą chemijoje ir medžiagų moksle – padėdamas tokiose srityse kaip sudėtingas molekulinių struktūrų modeliavimas vaistų atradimo tikslais ir suteikdamas galimybę atrasti ar sukurti naujas savybes turinčias medžiagas.

Kitas kvantinės informacinės technologijos panaudojimo būdas – kvantinis jutimas: aptikti ir išmatuoti fizikines savybes, pavyzdžiui, elektromagnetinę energiją, gravitaciją, slėgį ir temperatūrą, didesniu jautrumu ir tikslumu nei nekvantiniai prietaisai. Kvantinis jutimas turi daugybę pritaikymo galimybių tokiose srityse kaip aplinkos stebėsenoje, geologiniuose tyrinėjimuose, medicininiame stebėjime ir atvaizdavime.

Tokios iniciatyvos kaip kvantinio interneto, jungiančio kvantinius kompiuterius, kūrimas yra labai svarbūs žingsniai siekiant sujungti kvantinės ir klasikinės kompiuterijos pasaulius. Šis tinklas galėtų būti apsaugotas naudojant kvantinius kriptografinius protokolus – pavyzdžiui, kvantinį raktų paskirstymą, kuris leistų sukurti itin saugius ryšių kanalus, apsaugotus nuo kompiuterinių atakų – įskaitant ir tas, kurios vykdomos naudojant kvantinius kompiuterius.

Nepaisant to, kad kvantinių kompiuterių taikymo sričių vis daugėja, naujų algoritmų, kurie visapusiškai išnaudotų kvantinius privalumus – ypač mašinų mokymosi srityje – kūrimas išlieka svarbia mokslinių tyrimų sritimi.

Nuoseklumas ir klaidų įveikimas

Kvantinių skaičiavimų srityje susiduriama su didelėmis techninės ir programinės įrangos kūrimo kliūtimis. Kvantiniai kompiuteriai labai jautrūs bet kokiai netyčinei sąveikai su aplinka. Dėl to atsiranda dekoherentiškumo reiškinys, kai kubitai greitai pereina į klasikinių bitų 0 arba 1 būsenas.

Norint sukurti didelės apimties kvantinių kompiuterių sistemas, galinčias užtikrinti žadamą kvantinį pagreitį, reikia įveikti dekoherentiškumą. Svarbiausia yra sukurti veiksmingus kvantinių klaidų slopinimo ir taisymo metodus – tai sritis, į kurią orientuoti paties D. Lidaro moksliniai tyrimai.

Įveikiant šiuos iššūkius, greta gerai žinomų technologijų pramonės atstovų – tokių kaip „Google“ ir IBM – atsirado daugybė kvantinės techninės ir programinės įrangos startuolių. Šios iniciatyvos skatina turtingą ekosistemą, kurioje bendradarbiauja akademinė bendruomenė ir pramonė, spartindamos pažangą šioje srityje.

Kvantinis pranašumas artėja

Kvantinė kompiuterija vieną dieną gali tapti tokia pat griaunanti seną tvarką, kaip ir generatyvinio dirbtinio intelekto atsiradimas. Šiuo metu kvantinių skaičiavimų technologijos vystymasis yra labai svarbus.

Viena vertus, ši sritis jau parodė pirmuosius požymius: pasiekė siaurai specializuotą kvantinį pranašumą. Bendrovės „Google“ mokslininkai, o vėliau ir tyrėjų grupė Kinijoje pademonstravo kvantinį pranašumą generuojant tam tikrų savybių turinčių atsitiktinių skaičių sąrašą. D. Lidaro tyrėjų grupė pademonstravo kvantinį pagreitinimą atsitiktinių skaičių spėjimo žaidime.

Kita vertus, yra apčiuopiamas pavojus, kad gali prasidėti „kvantinė žiema“ – t. y. sumažėjusių investicijų laikotarpis, jei artimiausiu metu nepavyks pasiekti praktinių rezultatų.

Nors technologijų pramonė stengiasi, kad artimiausiu metu produktai ir paslaugos įgytų kvantinį pranašumą, akademiniai moksliniai tyrimai tebėra orientuoti į fundamentalių principų, kuriais grindžiamas šis naujas mokslas ir technologijos, tyrimą. Šie nuolatiniai fundamentiniai moksliniai tyrimai, kuriuos skatina entuziastingi ir gabūs studentai, užtikrina, kad ši sritis ir toliau tobulės, tvirtina Pietų Kalifornijos universiteto inžinerijos, chemijos, fizikos ir astronomijos profesorius Danielis Lidaras.

Parengta pagal „The Conversation“.