Adomas Matutis. Legenda apie kvantinį kompiuterį, užkastą slėnyje

Programos rengėjai nelabai argumentuotai atsakė, kad tai labai brangūs tyrimai, o ir tyrimų perspektyvos nėra aiškios. Tuo klausimo aptarimas ir baigėsi. Tačiau detaliau panagrinėjus, matyti, kad šis klausimas perteikė gilią problemos esmę ir galimus atsakymus apie Lietuvos mokslo plėtros sunkumus bei galimus sprendimo būdus.

Pradžioje trumpai panagrinėkime, kas yra kvantinis kompiuteris ir kokių problemų kyla siekiant sukurti šį, kaip manoma, XXI a. technologijų stebuklą. Kodėl, nepaisant visų tų sunkumų, taip stengiamasi sukurti kvantinį kompiuterį? Atsakymas slypi pačioje tokio kompiuterio naudojamos informacijos prigimtyje. Kalbant apie įprastinę informaciją, turima galvoje dvinario kodo vienetai ir nuliai.

Tokios informacijos nešėjai yra fiziniai objektai, kurie gali būti dviejų stabilių būsenų bei gali pereiti iš vienos būsenos į kitą veikiant išoriniams signalams (mechaniniai arba elektroniniai raktai). Šiuolaikinių informacijos apdorojimo sistemų elementai: elektroninės lempos, tranzistoriai, diodai, fotodiodai, šviesos diodai ir pan. yra „klasikinės“ fizikos objektai, nors vidiniai juose vykstantys procesai turi kvantinę prigimtį. Taip yra todėl, kad jie susideda iš labai didelio skaičiaus kvantinių dalelių. Informacijos apdorojimas tokiose sistemose remiasi dvejetaine sistema (1 arba 0).

Vieneto analogu yra, pavyzdžiui, elemento būsena „praleidžia srovę“, nulio – „nepraleidžia srovės“. Dabar nuolat mažinant naudojamų elementų matmenis, tam tikru momentu neišvengiamai pradės reikštis kvantiniai efektai. Tada situacija pasikeičia, nes imamos naudoti atskiros kvantinės dalelės. Tokiu atveju informacija pasidaro keista, nežemiška substancija, nes kvantiniai bitai arba kubitai vienu metu gali būti ir vienetais, ir nuliais. Juos pradedant apdoroti kvantiniame kompiuteryje, gali atsitikti nepaprastų dalykų. Klasikinio kompiuterio idėją pirmasis iškėlė Č. Bebidžas XIX a. viduryje ir jos praktiniam įgyvendinimui prireikė daugiau kaip šimto metų. Kvantinio kompiuterio požiūriu šiuolaikinių kompiuterių elementai yra analogiški Č. Bebidžo pasiūlytiems ratukams ir svirtelėms, su kurių pagalba turėjo veikti pirmasis kompiuteris.

Pirmą užuominą apie atskirų kvantinių dalelių panaudojimą skaičiavimo įrenginiuose padarė garsusis fizikas R. Feinmanas, bet pirmą realų žingsnį žengė D. Doičas, kuris apibrėžė terminą „kvantinis algoritmas“. Esminis žingsnis kuriant kvantinį kompiuterį buvo padarytas 1994 metais, kai Bell Laboratories darbuotojas P. Šoras sugalvojo pirmąjį kvantinį algoritmą, kuriuo būtų galima „nulaužti“ šifrus, pagrįstus RSA-129 atviro rakto kompiuterinio saugumo sistema.

RSA-129 kodu yra pagrįstas visos šiuolaikinės kompiuterinio saugumo sistemos egzistavimas (ji remiasi vadinamąja faktorizacija – labai didelio skaičiaus suskaidymu į du pirminius daugiklius). Pavyzdžiui, bandydami sistemą, 1994 metais 1600 darbinių stočių, sujungtų per internetą, dirbo aštuonis mėnesius, kad iššifruotų šį kodą (129 skilčių skaičiaus faktorizacija). Tuo tarpu 300 skilčių skaičiui iššifruoti jau reikėtų 13 milijardų metų šiuolaikinio kompiuterio darbo laiko, o kvantinis kompiuteris su tokiu uždaviniu susidorotų per tris savaites. P. Šoro algoritmas padarė labai didelį įspūdį amerikiečių kariškiams, ir DARPA (JAV perspektyvinių karinių tyrimų agentūra) pradėjo finansuoti šiuos tyrimus. Vėliau buvo pademonstruota, kad yra ir daug kitų uždavinių, kuriuos kvantinis kompiuteris sprendžia nepalyginamai sparčiau negu klasikinis (pavyzdžiui, paieška nesutvarkytose duomenų bazėse, kombinatorikos ir optimalaus valdymo uždaviniai), nors yra ir tokių uždavinių, kuriuos sprendžiant, jis neturi didelės persvaros. Todėl galima teigti, jog kvantinis kompiuteris yra būtina ir esminė grandis skaičiavimo įrenginių evoliucijoje. Belieka tik jį sukurti. Kokių yra fizikinių prielaidų sukurti šį stebuklingą įrenginį?

Kaip ir klasikinis bitas, taip ir kubitas, gali būti kuriamas panaudojant bet kokią dviejų lygių sistemą, pavyzdžiui, atomą, kuris gali turėti du energetinius lygmenis. Gamtoje yra labai daug tokių sistemų, bet pagrindinė problema kuriant kvantinį kompiuterį yra aplinka, kuri per labai trumpą laiką, kuris vadinamas dekoherencijos trukme, suardo paruoštą kvantinę būseną. Per tą laiką turi būti atlikta kiek galima daugiau skaičiavimų ir rezultatas „permestas“ kitam kompiuteriui.

Pirmas kvantinis kompiuteris buvo padarytas 1997 metais IBM korporacijos, Masačusetso technologijos instituto ir Kalifornijos universiteto mokslininkų pastangomis pasitelkus pradžioje medicinai kurtą technologiją, vadinamą branduolio magnetiniu rezonansu (BMR). Branduolio sukinių privalumas tas, kad jie yra beveik visiškai atkirsti nuo aplinkos – jie beveik nesąveikauja su aplinka. Kadangi besisukantys branduoliai veikia kaip mažyčiai magnetukai, jų būsenas galima valdyti naudojant magnetinius laukus arba radijo bangų elektromagnetinius laukus. Stipriame magnetiniame lauke jų sukiniai ima vinguriuoti šiek tiek skirtingais dažniais, priklausomai nuo cheminės branduolio aplinkos. Radijo bangomis, kurios yra suderintos atitinkamai rezonansiniam dažniui, užkabinus molekulę galima atskirai paveikti kiekvieną joje esantį branduolį. Kelios tyrėjų grupės yra sukūrusios veikiančius BMR kompiuterius, galinčius naudoti iki dešimties kubitų. Bet čia vadinamajai skystajai BMR mašinai ima trūkti „garo“ ir viskas baigiasi, kai pasiekiama 15 kubitų. Išties naudingame kvantiniame kompiuteryje turėtų būti bent 100 kubitų. Kai jų tebūna 10 ar 12, skystasis BMR kompiuteris tegali atlikti mokyklinius aritmetikos darbus.

Atomų arba jonų gaudyklės yra laikomos perspektyvesniais sprendimais. Šiuo atveju kubitu tampa izoliuotas atomas arba jonas, kurį „pagauna“ elektromagnetiniu lauku arba lazerio spinduliu ir apšaudo lazerio impulsais. Keičiant tų impulsų dažnį ir trukmę sukeliamas atomo ar jono perėjimas iš vieno energetinio lygmens į kitą ir taip organizuojamas „skaičiavimas“. Galima taip pat paminėti, kad yra pasiūlyti kvantinių skaičiavimų metodai panaudojant Džozefsono kontaktus (plonas dielektriko sluoksnis tarp dviejų superlaidininkų), Miosbauerio efektą arba elektroninius kvantinius taškus puslaidininkiuose. Keisčiausia, kad kvantinių skaičiavimų idėja subrendo kaip tik tada, kai buvo sukurtos tam tinkamos technologijos. Taigi, galima teigti, jog šiuo atveju yra visos prielaidos įgyvendinti žinomą A. Jofės teiginį „Fizika šiandien, tai pramonė rytoj“.

O dabar sugrįžkime prie diskusijos svarstant Informacinių technologijų Nacionalinę kompleksinę programą. Įsivaizduokime, kad vienu iš programos tikslų yra sukurti Nacionalinį kvantinių kompiuterių tyrimų centrą (NKKTC). Kaip matėme, šiai problemai spręsti reikia matematikos (algoritmų sudėtingumo teorija, kvantiniai algoritmai ir t. t.), kvantinės fizikos (banginės funkcijos kolapsas, būsenų matavimai, papildomumas, būsenų dekoherencija ir t. t.), informacijos teorijos (Tjuringo mašina, kvantinė kriptografija, kvantinė teleportacija ir t. t.) bei technologijų (lazerinės technologijos, superlaidumas, puslaidininkiniai kvantiniai taškai, medžiagų inžinerija ir t. t.) mokslų sąveikos. Tai labai geras tarpdisciplininių mokslinių tyrimų ir technologinės plėtros pavyzdys.

Lietuvoje yra pakankamai išvardytų sričių specialistų, bet jie dirba išsiskaidę, neturi bendro tikslo, todėl jų tyrimų rezultatai fragmentiški ir mažai pritaikomi. O kaip verslas? Aišku, kad iš pradžių sunku tikėtis verslui tinkamų sprendimų, tačiau vėliau jų gali atsirasti ir dažnai netikėtose srityse, ir praktiniuose taikymuose. NKKTC sukurti reikėtų apie 150-200 mln. litų. Jame galėtų nuolat dirbti apie 40 mokslininkų, 30 doktorantų, 30 magistrantų, apie 70 kitų tyrėjų ir inžinierių bei 15-20 vadybininkų. O iš kur gauti pinigų centro darbui palaikyti? Sukūrus aukšto lygio įrangą ir kvalifikuotais specialistais aprūpintą centrą gerokai išaugtų galimybių gauti ES 7-sios Bendrosios programos ir kitų programų pinigų, būtų galima įsitraukti į europinių technologinių platformų ir jungtinių technologinių iniciatyvų (ENIAC, ARTEMIS) veiklą. Be abejo, iš pradžių centrui reikėtų ir biudžetinės paramos.

Jums nepatinka kvantiniai kompiuteriai, manote, jog tai yra per daug sudėtingas, neperspektyvus ir per brangus projektas? Galiu atsakyti, kad vykdant tokį projektą bus atrasta daug naujų reiškinių, sukurta naujų technologijų, kurios įgalins pradėti gaminti naujų iki šiol nenuspėtų gaminių, todėl, be abejo, jis duos ir juntamą pridėtinę vertę. Žinoma, galimas variantas, jog po daugelio intensyvių tyrimų metų bus sukurtas kvantinis kompiuteris, įrengtas kažkur Pentagono požemiuose beveik absoliutinio nulio temperatūroje, skirtas įsilaužti į visų kompiuterių, prijungtų prie pasaulinio voratinklio, duomenų bazes. Tokiu atveju sukaupta kompetencija kvantinių kompiuterių ir kvantinės informatikos srityje padės ginti Lietuvos nacionalinio saugumo interesus, nes tie, kurie dirbo šiose srityse, matyt, galės užtikrinti šalies kompiuterinį saugumą.

Jei ir šie argumentai jūsų neįtikino, ką gi, galime atsisakyti kurti NKKTC, bet galiu pasiūlyti dar bent tris perspektyvius Nacionalinius tyrimų centrus: Nanomediciną, Vandenilio energetiką, Įterptines sistemas. Įterptinės sistemos (tarsi mikrokompiuteriai) yra sukurtos specialių mikroprocesorių pagrindu ir skirtos vykdyti specializuotas funkcijas. Jos susideda iš mikroprocesoriaus, jutiklių ar kitų įvedimo įrenginių, komunikacijos sąsajos bei indikacijos ar išvedimo įrenginių. Visiems šiems centrams reikės kelių mokslo sričių specialistų, aiškus jų tarpdisciplininis pobūdis ir didelė nauda aukštųjų technologijų verslui. Galite siūlyti ir kitų tyrimų centrų variantų. Tik nesiūlykite Nacionalinio informacinių technologijų centro, nes tai bus centras tirti viskam ir kartu niekam, todėl tai bus dabar nusistovėjusių struktūrų tęsinys. Taip pat nepasiduokite momento nuotaikoms ir nesiūlykite Nacionalinio krizės įveikimo centro, nes kol jis bus pastatytas ir įrengtas, visi jau bus pamiršę krizę ir reikės spręsti visai kitus uždavinius.

O kas bus su iki šiol veikusių universitetų ir institutų mokslininkais? Ogi nieko, tegu dirba toliau, tęsia savo tyrimus, dalyvauja konkursuose europinei arba nacionalinei paramai gauti tiek mokslinių tyrimų projektams, tiek infrastruktūrai pagerinti bei savo kvalifikacijai kelti. Dalis jų gali pereiti dirbti į minėtus centrus, kuriuose, reikia manyti, galėtų dirbti ir užsieniečiai bei sugrįžę iš užsienio lietuviai. ES struktūrinių fondų lėšomis įmanoma sukurti 3-4 tokius Nacionalinius tyrimų centrus. Tai kodėl kol kas nepasiūlyti jokių panašių Nacionalinių centrų kūrimo projektai? Teks grįžti šiek tiek atgal, norint tai išsiaiškinti.

Kaip vyko Nacionalinių kompleksinių programų rengimas? Šių programų pagrindinis tikslas yra didinti moksliniams tyrimams bei taikomajai veiklai imlių ūkio sektorių lyginamąją dalį, kompleksiškai derinant specialistų rengimą, mokslinių tyrimų ir technologinės plėtros vystymą, atitinkamos infrastruktūros plėtrą, mokslo ir verslo bendradarbiavimą plėtojančių priemonių skatinimą. Iš pradžių buvo paskelbtas kvietimas identifikuoti mokslui imlius ūkio sektorius, kurie galėtų pretenduoti rengti tokias programas. Tarp svarbiausių reikalavimų buvo sektoriuje dirbančių tyrėjų skaičius ir išlaidos moksliniams tyrimams (ne mažiau kaip 1 proc. pardavimų apimties). Atsirado vos vienas sektorius, kuris tenkino nustatytus reikalavimus (biotechnologija), jis paskelbė, kad moksliniams tyrimams skiria net 29 proc. pardavimų apimties. Tačiau visa bėda, kad šie pardavimai sudaro tik 0,1 proc. Lietuvos BVP.

Vis dėlto Švietimo ir mokslo ministerija nusprendė, kad reikia rengti septynias Nacionalines kompleksines programas. Tačiau dar prieš tai ministerija pasiūlė rengti ir penkių slėnių programas. Sukurti du slėnius Vilniuje, tarp kurių atstumas tik kokie 5 kilometrai tiesia linija, – idėja verta Gineso rekordų knygos arba pirmos vietos humoro festivalyje! Žinoma, kad šiuo atveju be didelio atskirų interesų grupių spaudimo ir jų įtakos priimant sprendimus nebuvo apsieita. Taip tapo aišku, jog iš didelio žadėto struktūrinės paramos pyrago atskiroms programoms teks tik nedidelė dalis lėšų. Buvo taip pat nuspręsta, kad dvi kompleksinės programos (Jūrinis sektorius ir Žemės, miškų ir maisto ūkis) bus panaudotos vien tik slėnių programoms finansuoti ir gaus po 110 mln. litų paramos. O kitoms penkioms kompleksinėms programoms buvo paskirta po 40-60 mln. litų. Tapo akivaizdu, jog graži idėja kompleksiškai vystyti mokslui imlius ūkio sektorius žlugo, nes ką galima padaryti su 40 mln. litų, kurie skiriami šešeriems metams studijų infrastruktūrai gerinti, naujoms studijų programoms kurti, steigti naujus tyrimų centrus ir gerinti esamų institutų bazę, remti bendrus verslo ir mokslo bendradarbiavimo projektus ir t. t.

Daugiau kaip šimtas mokslininkų rengė penkias kompleksines programas apie tris mėnesius, o po to ministerija devynis mėnesius parengtus projektus stumdė po įvairius departamentus, tarybas ir ministerijas, kol galų gale paskelbė verdiktą: programos niekam tikusios, nesiderina su slėnių programomis, todėl galite išmesti jas į šiukšlių dėžę. Dabar turite parengti Jungtines tyrimų programas, kurios apimtų tiek slėnių, tiek Nacionalinių kompleksinių programų projektus. Nepatiks Jungtinės tyrimų programos, turėsite rengti kokias nors Bendrąsias integruotąsias programas ir taip toliau – pasaka be galo. Slėnių projektai, nors ir buvo patvirtinti Vyriausybės, taip pat patyrė fiasko, nes jų finansavimui buvo numatytos ne tik struktūrinių fondų, bet ir turto mainų (institucijų perkėlimo atveju), ir valstybės investicijų programų lėšos. Šios lėšos, kaip žinoma, 2008 m. pabaigoje išgaravo dėl finansinės krizės, todėl slėnių projektus tenka koreguoti. Be to, reikia pripažinti, jog slėnių projektai buvo parengti neapgalvotai ir vienpusiškai tenkinant tik universitetų mokslininkų grupių norus.

Vienas tokio neapgalvoto planavimo pavyzdys yra projektas „Nacionalinio atviros prieigos mokslinės komunikacijos ir informacijos centro kūrimas“. Šis centras bus pastatytas už 100 mln. litų Saulėtekio slėnyje. Galutinis rezultatas: bus pastatytas beveik 14 tūkst. kv. m pastatas, bibliotekos ištekliais bus galima naudotis ištisą parą, skaityklų plotas sieks beveik 4 tūkst. kv. m., centro lankytojai 620 įrengtose darbo vietose galės dirbti ne tik su spaudiniais, bet ir vaizdo bei garso laikmenomis, naudoti išorinės prieigos elektroninius išteklius, prenumeruojamas duomenų bazes. Akivaizdu, kad toks projektas buvo aktualus prieš dešimt metų, kai internetas buvo mažai naudojamas ir gana sunkiai prieinamas. Dabar paklauskite bet kurio studento ir jis atsakys, jog biblioteka beveik nesinaudoja, o viską stengiasi pasiekti internetu per savo kompiuterį. Yra gerai veikiančios Lietuvos nacionalinė Martyno Mažvydo biblioteka, Lietuvos technikos biblioteka, Lietuvos mokslų akademijos biblioteka, kur galima rasti visą reikalingą informaciją, taip pat ir patentų, licencijų, standartų ir kitos informacijos, reikalingos mokslo ir verslo bendradarbiavimui. Todėl užuot svaidžius lėšas (tarp kurių yra ir 15 mln. litų Lietuvos biudžeto lėšų) tokiam pastatui, tikslingiau būtų buvę nupirkti ilgalaikiam naudojimui priėjimą prie didžiausių ir reikšmingiausių elektroninių duomenų bazių visiems Lietuvos universitetams, kolegijoms ir mokslinio tyrimo institutams.

Kodėl susidarė tokia apgailėtina padėtis įsisavinant Europos Sąjungos struktūrinių fondų lėšas Švietimo ir mokslo ministerijoje? Manau, yra kelios priežastys.

Pirma, mokslininkų bendruomenė yra susiskaldžiusi ir išlaikiusi seną konfrontaciją tarp universitetų ir mokslo institutų mokslininkų. Todėl pamatę 2004-2006 m. ES struktūrinių fondų panaudojimo bėdas, jie nieko nepasiūlė kito paramos periodo lėšų įsisavinimui pagerinti.

Antra, ši bendruomenė yra gana silpna ir užsidariusi savose siaurose tyrimų nišose. Todėl geriausias būdas patenkinti jos interesus yra padalyti visiems po truputį. Tyrinėjote feroelektrikus 30 metų, štai jums keli milijonai įsigyti naują aparatūrą, ir dirbkite toliau ramiai, tyrėte 25 metus rekombinantinius baltymus, tirkite toliau, paskirsime jums dar 1-2 milijonus litų ir t. t.

Trečia priežastis – Švietimo ir mokslo ministerijos žema kompetencija mokslinių tyrimų ir technologijų srityje. Jau įpusėjo treti naujojo struktūrinės paramos periodo metai, o pradėtas vykdyti tik vienas stambus projektas iš ministerijos kuruojamų slėnių ir kompleksinių programų – anksčiau minėtas „Nacionalinio atviros prieigos mokslinės komunikacijos ir informacijos centro kūrimas“. Laikas bėga, pinigai neįsisavinami ir atsiranda tikimybė, kad dalis mokslui skirtų pinigų bus permesti kitoms sritims finansuoti. Problemą dar labiau gilina ir tai, jog kartu su stambių projektų rengimu numatyta vykdyti mokslo ir studijų institucijų pertvarką, jas sujungiant arba likviduojant. Tai sukelia ne tik didelę psichologinę įtampą šių institucijų darbuotojams, bet ir sudaro juridinių problemų dėl projektų rengėjų ir vykdytojų statuso pasikeitimo. Geras sprendimas, manau, būtų esamas Ūkio ministeriją ir Švietimo ir mokslo ministeriją reformuoti į Ekonomikos, mokslo, technologijų ir inovacijų ministeriją bei Švietimo ir aukštojo mokslo ministeriją.

Visą laiką buvo eskaluojama didelė Lietuvos problema: mažas verslo suinteresuotumas mokslo pasiekimais. Tačiau nei viena, nei kita ministerija nieko nedarė, kad pakeistų šią padėtį. Akivaizdu, jog Lietuvoje nėra vienos svarbios tarpinės grandies tarp mokslo ir verslo: „spin-off“, „high-tech“ tipo įmonių bei įvairių technologijų perdavimo funkcijas vykdančių bendrovių, kurios užsiimtų mokslo rezultatų komercinimu ir naujų technologijų perėmimu, kad po to jos būtų įdiegtos didelėse įmonėse arba parduotos licencijų pavidalu. Šios tarpinės grandies įmonėms atsirasti ir vystyti reikia iš pradžių joms sudaryti beveik šiltnamio sąlygas steigimo, veiklos ir mokesčių srityje. Deja, naujasis Mokslo ir studijų įstatymas nieko naujo šioje srityje nepasiūlė. Matyt, ir negalėjo pasiūlyti, nes pagrindinis akcentas buvo studijų reforma ir garsusis „krepšelis“, o vienas iš aktyviausių įstatymo rengėjų buvęs Kembridžo studentas matė tik Didžiosios Britanijos pavyzdį, kur visas mokslas sutelktas beveik tik universitetuose. Bet yra Vokietijos pavyzdys, kur egzistuoja daug valstybinių mokslinių tyrimų institutų, ir turbūt niekas nebandys teigti, kad vokiečių mokslininkų pasiekimai ir jų indėlis vystant aukštųjų technologijų verslą yra menkesnis negu britų.

2022 metai, profesorius N. skaito kvantinės informatikos paskaitą informacinių technologijų bakalaurams. Vienas studentas klausia: „Profesoriau, kodėl Lietuvoje nėra kvantinių kompiuterių ar jų komponentų verslo įmonių?“ Profesorius kiek patyli ir liūdnai atsako: „Todėl, kad 2009-aisiais skirstant Europos Sąjungos struktūrinių fondų paramą neatsirado drąsių žmonių, kurie būtų galėję priversti valdžios atstovus remti šių tyrimų kryptį. Todėl buvo iššvaistyta daug lėšų, pastatyta daug nereikalingų pastatų, o lietuviškas kvantinis kompiuteris liko užkastas po pamatais Vilniaus Saulėtekio slėnyje.“