Įsivaizduokite kompiuterį, kuris vienu metu bando visus galimus sprendimus vietoj to, kad juos tikrintų po vieną. Skamba kaip fantastika, tiesa? O vis dėlto būtent taip, grubiai tariant, veikia kvantiniai kompiuteriai – mašinos, apie kurias mokslininkai kalba jau kelis dešimtmečius, bet kurios tik pastaraisiais metais pradėjo virsti kažkuo daugiau nei laboratorijų eksperimentais.

Bitai, kubitai ir visa ta kvantinė makalynė

Įprastas kompiuteris, tas, kuriuo dabar galbūt skaitote šį tekstą, viską skaičiuoja bitais. Bitas – tai arba 0, arba 1. Paprasta, nuspėjama, patikima. Būtent ant šios paprastos logikos ir buvo pastatyta visa skaitmeninė civilizacija.

Kvantiniai kompiuteriai naudoja visai kitokį principą – kubitus. Ir čia prasideda tikrasis įdomumas: kubitas gali būti ne tik 0 arba 1, bet ir abu vienu metu. Fizikai tai vadina superpozicija. Skamba paradoksaliai, nes iš tiesų taip ir yra – kvantinė mechanika mėgsta žaisti su mūsų intuicija, sukaupta stebint kasdienį makropasaulį.

Prie to dar prisideda kitas reiškinys – susietumas (angl. entanglement). Kai du kubitai yra susieti, vieno būsenos pakeitimas akimirksniu paveikia kitą, net jei jie fiziškai nutolę. Einšteinas tai vadino „šiurpiu veiksmu per atstumą“ ir, sakykime tiesiai, jam pačiam ta idėja nelabai patiko. Bet eksperimentai vėl ir vėl patvirtina – taip tikrai vyksta.

Kodėl tai iš viso svarbu

Galima paklausti – na gerai, gražu, egzotiška, bet kam mums to reikia? Atsakymas paprastas: yra užduočių, su kuriomis klasikiniai kompiuteriai vargsta amžinai, o kvantiniai gali su jomis susitvarkyti per protingą laiką.

Klasikinis pavyzdys – didelių skaičių faktorizacija. Šiuolaikinė šifravimo sistema, ta pati, kuri saugo jūsų banko sąskaitą ar susirašinėjimą, remiasi tuo, kad suskaidyti labai didelį skaičių į pirminius daugiklius užtruktų klasikiniam kompiuteriui tūkstantmečius. Kvantinis kompiuteris, naudodamas Šoro algoritmą, teoriškai galėtų tą patį atlikti per valandas ar minutes. Būtent dėl to kriptografai jau dabar kuria naujus, „postkvantinius“ šifravimo standartus – iš anksto, kol dar nėra pakankamai galingos mašinos, kuri viską sulaužytų.

Bet ne vien apie šifrų laužymą kalbama. Vaistų kūrimas, naujų medžiagų paieška, logistikos optimizavimas, oro sąlygų modeliavimas – visur, kur reikia skaičiuoti milžinišką kombinacijų kiekį, kvantiniai kompiuteriai žada realų pranašumą. Farmacijos kompanijos jau dabar eksperimentuoja su kvantiniu molekulių modeliavimu, nes klasikiniams superkompiuteriams net paprasto baltymo elgsenos simuliacija gali užtrukti nepadoriai ilgai.

Kodėl dar nesėdime su kvantiniais nešiojamaisiais

Čia realybė kiek atvėsina entuziazmą. Kubitai yra baisiai jautrūs – bet koks šiluminis triukšmas, elektromagnetinis laukas ar net kosminis spindulys gali sugadinti skaičiavimą. Todėl daugelis kvantinių sistemų veikia temperatūroje, artimoje absoliučiam nuliui, šaltesnėje nei tarpplanetinė erdvė. Tai nėra prietaisas, kurį galėtum pasidėti ant stalo šalia puodelio kavos.

Be to, egzistuoja klaidų problema. Kubitai „dekoheruoja“ – praranda savo kvantinę būseną per labai trumpą laiką. Todėl didžioji dalis dabartinių pastangų sukasi ne apie tai, kaip pridėti daugiau kubitų, o apie tai, kaip juos apsaugoti nuo klaidų. Klaidų korekcijos kodai kvantinėje informatikoje – tai atskira, be galo sudėtinga sritis, kuri, tiesą sakant, gali nulemti, kada (ir ar iš viso) turėsime praktiškai naudingus kvantinius kompiuterius.

Kas jau dabar bando šią ateitį

IBM, Google, ir keletas kinų mokslo institutų jau varžosi dėl vadinamosios „kvantinio pranašumo“ – momento, kai kvantinis kompiuteris atlieka užduotį, kurios klasikinis superkompiuteris praktiškai negalėtų atlikti per protingą laiką. 2019 metais Google paskelbė pasiekusi tokį momentą, nors IBM ginčijosi dėl skaičiavimų metodikos. Nesvarbu, kas teisus – svarbu, kad lenktynės vyksta, ir jos rimtos.

Lietuvoje ir Baltijos regione ši sritis dar gana jauna, tačiau vis daugiau universitetų fizikos katedrų įtraukia kvantinės informatikos kursus, o startuoliai ieško nišų, kur galėtų prisidėti prie globalios kvantinių technologijų virtinės – nebūtinai kuriant patį kompiuterį, bet, tarkim, programinę įrangą ar algoritmus jam.

Vietoj taško – klaustukas ateičiai

Sunku pasakyti, ar kvantiniai kompiuteriai per dešimtmetį pakeis mūsų kasdienybę taip, kaip kadaise ją pakeitė asmeniniai kompiuteriai ar internetas. Greičiausiai ne – jie nepakeis nešiojamųjų kompiuterių ar telefonų, bent jau ne artimiausiu metu. Tikėtina, kad jie liks specializuotais įrankiais, prieinamais per debesų paslaugas, sprendžiančiais konkrečias, itin sudėtingas problemas, kurių klasikinė skaičiavimo galia tiesiog neįveikia.

Bet lygiai taip pat sunku nepastebėti, kad kažkas iš esmės keičiasi mokslo laboratorijose ir technologijų kompanijose. Kai fizikai kalba apie superpoziciją nebe kaip apie teorinę galimybę, o kaip apie inžinerinį iššūkį, verta atkreipti dėmesį. Galbūt didžiausias klausimas nebe „ar“, o „kada“ – ir kas spės pirmas.