Jei kada nors bandei paaiškinti draugui, kas yra kvantinis kompiuteris, greičiausiai baigėsi sakiniu „na, ten kažkas su atomais ir tai labai greita mašina“. Ir tiesą sakant, dauguma žmonių, įskaitant nemažai IT srities specialistų, kvantinius kompiuterius įsivaizduoja kaip super galingus superkompiuterius, tik dar galingesnius. Realybė yra kur kas įdomesnė ir keistesnė. Kvantiniai kompiuteriai neveikia greičiau todėl, kad turi daugiau tranzistorių ar aukštesnį dažnį — jie veikia visiškai kitaip nei viskas, ką iki šiol žinojome apie skaičiavimo mašinas.
Pabandykime tai paaiškinti be diferencialinių lygčių ir be fizikos daktaro laipsnio, o tiesiog žmogiška kalba, su analogijomis, kurios realiai padeda suprasti, o ne dar labiau supainioja.
Bitas prieš kubitą — pagrindinis skirtumas
Kiekvienas įprastas kompiuteris, nuo tavo telefono iki „NASA“ superkompiuterio, veikia bitais. Bitas — tai arba 0, arba 1. Jungiklis, kuris yra arba įjungtas, arba išjungtas. Viskas, ką kompiuteris kada nors padarė — nuo šio teksto rodymo ekrane iki filmo transliavimo — sudėta iš milijardų tokių paprastų sprendimų: 0 arba 1, taip arba ne.
Kvantinis kompiuteris vietoj bitų naudoja kubitus (angl. qubit — quantum bit). Ir čia prasideda keistenybės. Kubitas gali būti ne tik 0 arba 1, bet ir abu vienu metu. Tai vadinama superpozicija. Skamba kaip mokslinė fantastika, bet tai realus kvantinės mechanikos reiškinys, kurį galima pastebėti ir išmatuoti laboratorijoje.
Įsivaizduok besisukančią monetą. Kol ji sukasi ore, ji nėra nei herbas, nei skaičius — ji tarsi yra abu variantai vienu metu. Tik kai moneta nukrinta ant stalo (kai ją „išmatuoji“), ji tampa vienu konkrečiu rezultatu. Kubitas panašiai — kol jo tiesiogiai neišmatuoji, jis egzistuoja kažkokioje neapibrėžtoje būsenoje tarp 0 ir 1. Analogija netobula (fizikai už ją tikriausiai supyktų), bet ji padeda suprasti pagrindinę idėją: kvantinė būsena yra tikimybinė, o ne fiksuota, kol jos neįvertini.
Superpozicija ir susietumas — kodėl tai keičia žaidimo taisykles
Vien superpozicijos neužtektų, kad kvantiniai kompiuteriai būtų revoliuciniai. Antrasis svarbus reiškinys — kvantinis susietumas (angl. entanglement). Kai du kubitai tampa susieti, vieno būsena akimirksniu priklauso nuo kito, nesvarbu, koks atstumas juos skiria. Einšteinas šį reiškinį vadino „šiurpinamu veiksmu per atstumą“ ir jam pačiam tai nepatiko, bet eksperimentai vėliau tik patvirtino, kad taip iš tikrųjų yra.
Praktinė nauda tokia: kai turi n kubitų, susietų tarpusavyje, jie kartu gali reprezentuoti 2 laipsniu n skirtingų būsenų vienu metu. 10 kubitų — jau 1024 galimos kombinacijos, apdorojamos lygiagrečiai. 300 kubitų — skaičius kombinacijų, didesnis nei atomų skaičius visatoje. Klasikinis kompiuteris tokias kombinacijas turėtų skaičiuoti po vieną, nuosekliai. Kvantinis, teoriškai, gali „apžvelgti“ jas visas iš karto.
Čia svarbu suprasti vieną dalyką, kurį dažnai supranta neteisingai: kvantinis kompiuteris nedaro milijono skaičiavimų vienu metu ir tada tiesiog parodo tau atsakymą. Rezultatas priklauso nuo tikimybių ir vadinamosios interferencijos — algoritmai sukurti taip, kad teisingi atsakymai „sustiprėtų“, o neteisingi „susilpnėtų“, kol galiausiai išmatavus gaunamas teisingas (arba labai tikėtinai teisingas) rezultatas. Tai kur kas subtilesnis procesas nei tiesiog „greitas skaičiavimas“.
Kodėl klasikinis kompiuteris tiesiog nepasivys, kad ir kiek jį patobulinsi
Natūralus klausimas — o gal tiesiog reikia stipresnio procesoriaus? Deja, ne. Yra uždavinių klasė, kur klasikinis kompiuteris, net ir teoriškai begalinis, susidurtų su eksponentiniu augimu. Klasikinis pavyzdys — didelio skaičiaus faktorizavimas (skaidymas pirminiais daugikliais). Būtent ant šio uždavinio sunkumo remiasi didžioji dalis šiuolaikinės kriptografijos, tarp jų ir RSA šifravimas, kurį naudoja bankai, mesindžeriai, VPN paslaugos.
1994 metais matematikas Peteris Shoras sukūrė algoritmą, kuris teoriškai leidžia kvantiniam kompiuteriui išspręsti šį uždavinį eksponentiškai greičiau nei bet koks žinomas klasikinis metodas. Tai reiškia, kad pakankamai galingas ir stabilus kvantinis kompiuteris teoriškai galėtų sulaužyti šifravimą, kuriuo dabar remiasi beveik visa internetinė sauga.
Gera žinia — kol kas realūs kvantiniai kompiuteriai to padaryti negali, nes trūksta ir kubitų kiekio, ir jų stabilumo. Bet ši grėsmė jau dabar rimtai vertinama — apie tai plačiau kalbėsime skyriuje apie iššūkius.
Kas jau dabar realiai stato kvantinius kompiuterius
Tai nėra vien akademinis eksperimentas universitetų laboratorijose. Tai jau nemenkas verslas, kuriame konkuruoja keli technologijų milžinai ir startuoliai:
- IBM — vienas iš seniausių ir nuosekliausių žaidėjų. Jų „IBM Quantum“ platforma leidžia netgi paprastam vartotojui prisijungti internetu ir paleisti savo kvantinį algoritmą realiame įrenginyje, nemokamai. Jų naujausi procesoriai turi virš tūkstančio kubitų.
- Google — 2019 metais paskelbė pasiekę „kvantinį pranašumą“ (angl. quantum supremacy) su procesoriumi „Sycamore“, kuris konkretų uždavinį išsprendė per kelias minutes, o superkompiuteriui, jų teigimu, tai užtruktų tūkstančius metų (vėliau ši reikšmė buvo ginčijama, bet principas liko).
- D-Wave — pasirinko kitokią architektūrą, vadinamą kvantiniu atkaitinimu (angl. quantum annealing), specializuotą optimizavimo uždaviniams, o ne universaliems skaičiavimams.
- IonQ, Rigetti, PsiQuantum — startuoliai, kurie eksperimentuoja su skirtingomis kubitų realizavimo technologijomis (jonų gaudyklės, fotonai, supraslygiai).
- Kinija ir keli Europos konsorciumai taip pat aktyviai investuoja, nes tai laikoma strategiškai svarbia sritimi, panašiai kaip kadaise buvo kosmoso lenktynės.
Įdomu tai, kad skirtingos kompanijos naudoja skirtingus fizinius principus kubitams sukurti — vieni šaldo superlaidžius grandinynus iki temperatūros, artimos absoliučiam nuliui, kiti gaudo pavienius jonus lazerio spinduliais, treti bando naudoti fotonus. Vieno universalaus „teisingo“ būdo dar nėra, ir tikriausiai artimiausius dešimtmečius nebus — tai vis dar labai jaunas mokslas.
Kur tai realiai panaudojama jau šiandien (ir kur naudos dar teks palaukti)
Čia verta būti sąžiningam — dauguma pritaikymų šiuo metu yra eksperimentiniai arba veikia labai siaurose nišose, nes turimų kubitų tiesiog per mažai realioms pramoninėms užduotims. Bet kryptys, kuriomis dirbama, aiškios:
- Vaistų kūrimas ir chemija — molekulių sąveikų modeliavimas yra būtent tas atvejis, kur kvantinė sistema modeliuoja kitą kvantinę sistemą natūraliai, be milžiniško klasikinio kompiuterio apkrovimo. Farmacijos kompanijos, tokios kaip „Roche“ ar „Merck“, jau bando naudoti kvantinius algoritmus baltymų sulankstymui ir naujų molekulių paieškai.
- Finansai — portfelio optimizavimas, rizikos modeliavimas, kredito rizikos vertinimas. Bankai, tokie kaip „JPMorgan Chase“ ir „Goldman Sachs“, turi atskiras kvantinių tyrimų komandas.
- Logistika — maršrutų optimizavimas didelėms transporto kompanijoms, kur reikia rasti geriausią sprendimą iš milijardų kombinacijų (vadinamoji „keliaujančio pirklio“ problema ir jos variacijos).
- Materialų mokslas — naujų baterijų, superlaidininkų ar katalizatorių paieška, modeliuojant atomų lygmens sąveikas.
- Mašininis mokymasis — vadinamasis kvantinis mašininis mokymasis (QML) yra dar labai ankstyvoje stadijoje, bet teoriškai galėtų pagreitinti tam tikrus optimizavimo etapus.
Svarbu suprasti — kvantinis kompiuteris nepakeis tavo nešiojamo kompiuterio ar telefono. Jis nebus geresnis žaidimams, tekstų redagavimui ar naršymui internete. Tai specializuotas įrankis labai konkrečioms matematinėms problemoms, kurios klasikiniams kompiuteriams yra nepakeliamos dėl kombinacijų skaičiaus. Ateities pasaulyje greičiausiai matysime hibridines sistemas — klasikinis kompiuteris tvarko didžiąją dalį darbo, o sudėtingiausią optimizavimo ar modeliavimo dalį perduoda kvantiniam „priedui“, panašiai kaip šiandien GPU atlieka specifines skaičiavimo užduotis šalia CPU.
Didžiausia problema — trapumas, kurio niekas dar visiškai neišsprendė
Jei kvantiniai kompiuteriai tokie nuostabūs, kodėl jų nėra kiekvienoje serverinėje? Atsakymas — dekoherencija. Kubitai yra baisiai jautrūs. Menkiausia vibracija, temperatūros svyravimas, netgi kosminis spindulys, prasiskverbęs iš atmosferos, gali sugriauti trapią kvantinę būseną ir paversti ją paprastu, beverčiu triukšmu.
Būtent todėl dauguma kvantinių kompiuterių atrodo ne kaip elegantiškos ateities mašinos, o kaip milžiniški auksinės spalvos šaldymo cilindrai, kuriuose temperatūra nuleidžiama iki maždaug -273,15 laipsnio (arti absoliutaus nulio) — šalčiau, nei kosminėje erdvėje. Ir net tada kubitai stabilūs tik mikrosekundes ar milisekundes, priklausomai nuo technologijos.
Kita didelė problema — klaidų taisymas. Klasikiniame kompiuteryje klaidų taisymas paprastas — tiesiog padarai bito kopiją. Kvantinėje sistemoje to negalima daryti tiesiogiai dėl vadinamosios „no-cloning“ teoremos — kvantinės būsenos negalima tiksliai nukopijuoti. Todėl tenka naudoti sudėtingus klaidų taisymo kodus, kurie vienam „logiškam“, stabiliam kubitui sukurti gali pareikalauti dešimčių ar net šimtų fizinių kubitų. Tai reiškia, kad kai girdi apie procesorių su „1000 kubitų“, realaus, patikimo skaičiavimo galia gali būti daug mažesnė, nei skamba antraštėje.
Būtent dėl šios priežasties dauguma ekspertų mano, kad tikrai naudingas, universalus, klaidas toleruojantis kvantinis kompiuteris (angl. fault-tolerant quantum computer) pasirodys ne šiandien, o greičiausiai per artimiausią dešimtmetį ar net vėliau.
Ką visa tai reiškia paprastam mirtingajam jau dabar
Gerai, tarkim, tu ne fizikas ir tikriausiai niekada nepirksi kvantinio kompiuterio į namus (bent jau ne per artimiausius dvidešimt metų). Kodėl apie tai apskritai verta žinoti ir ką realiai daryti su šia informacija?
Pirma, jei dirbi IT saugumo srityje — jau dabar verta domėtis postkvantine kriptografija. NIST (JAV nacionalinis standartų institutas) jau patvirtino keletą postkvantinių šifravimo algoritmų, kurie atsparūs Shoro algoritmui. Didelės kompanijos jau pradeda pereiti prie hibridinio šifravimo — tai nėra ateities problema, o dabartinis projektas, nes duomenys, užšifruoti šiandien, gali būti perimti ir iškoduoti vėliau, kai kvantiniai kompiuteriai taps pakankamai galingi (šis scenarijus vadinamas „harvest now, decrypt later“).
Antra, jei dirbi mokslo, farmacijos, finansų ar logistikos srityje — verta stebėti, kaip kvantinės sistemos pradeda atsirasti kaip debesijos paslaugos. IBM, Amazon (per Braket), Microsoft (per Azure Quantum) ir Google jau siūlo prieigą prie realių kvantinių procesorių internetu. Nereikia turėti savo šaldymo sistemos — galima tiesiog užsiregistruoti ir paleisti eksperimentinį algoritmą, panašiai kaip anksčiau debesų kompiuterija atvėrė duris smulkesnėms kompanijoms be nuosavų serverių.
Trečia, jei tave tiesiog domina technologijos apskritai — verta suprasti, kad kvantiniai kompiuteriai nėra „geresnė versija“ to, ką turime. Tai lygiagreti, iš esmės kitokia skaičiavimo paradigma, kuri neišstums klasikinių kompiuterių, o veikiau papildys juos specifinėse srityse. Panašiai, kaip GPU neišstūmė CPU, o tapo jo partneriu tam tikriems darbams.
Ir galiausiai — nepasiduok blizgučiams. Kai matai antraštę „kompanija X paskelbė kvantinį proveržį“, verta paklausti: kiek logiškų (ne fizinių) kubitų realiai naudojama? Kiek laiko kubitai išlieka stabilūs? Ar rezultatas atkartojamas nepriklausomose laboratorijose? Ši sritis pilna rinkodaros triukšmo, o realus progresas vyksta lėčiau ir nuobodžiau, nei skelbia spaudos pranešimai. Bet būtent tas lėtas, nuoseklus progresas — fizikų, inžinierių ir matematikų darbas laboratorijose — per ateinantį dešimtmetį gali pakeisti tai, kaip sprendžiame kai kurias sunkiausias mokslo ir pramonės problemas. Verta stebėti šią sritį ne dėl skambių antraščių, o dėl to, kas realiai vyksta po jomis.
