Kvantinė kompiuterija yra nauja technologijų sritis, kuri remiasi kvantinės mechanikos principais. Tai yra skaičiavimo metodas, kuris, skirtingai nuo tradicinių kompiuterių, naudoja kvantinius bitus (qubits) vietoj klasikinių bitų. Klasikiniai bitai gali būti arba 0, arba 1, tuo tarpu qubitai gali būti abiejose būsenose vienu metu dėl superpozicijos principo.
Kvantiniai kompiuteriai taip pat naudoja kvantinį susipynimą, kuris leidžia qubitams būti tarpusavyje susijusiems net ir esant dideliam atstumui. Tai reiškia, kad pokyčiai viename qubit’e gali paveikti kitą qubit’ą, kas dar labiau padidina skaičiavimo galimybes.
Kvantinė kompiuterija, kaip viena iš pažangiausių technologijų, turi potencialą radikaliai pakeisti verslo strategijas įvairiose srityse. Ši technologija, veikdama remiantis kvantinės mechanikos principais, leidžia apdoroti duomenis žymiai greičiau nei tradiciniai kompiuteriai.
Tačiau, kad suprastume kvantinių kompiuterių esmę, turime šiek tiek pasigilinti į kvantinį pasaulį. 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.
Kvantinio kompiuterio procesas
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.
Štai keletas pavyzdžių, kaip kvantiniai kompiuteriai jau dabar gali būti pritaikomi:
- Molekulinė chemija: Kvantiniai kompiuteriai gali simuliuoti molekulines sistemas, leisdami efektyviau kurti vaistus ir medžiagas.
- Optimizavimo problemos: Kvantiniai algoritmai gali optimizuoti transporto maršrutus, finansų portfelius ir kitas sudėtingas sistemas.
- Kvantinis mašininis mokymasis: Kvantiniai neuroniniai tinklai gali klasifikuoti medicininius vaizdus ir mokytis iš mažesnio duomenų kiekio.
- Kibernetinis saugumas: Kvantinė kriptografija gali užtikrinti saugų duomenų perdavimą.
- Klimato modeliavimas: Kvantiniai kompiuteriai gali modeliuoti turbulenciją skysčiuose ir kurti naujas medžiagas anglies dioksido surinkimui.
- Fundamentali fizika: Kvantiniai kompiuteriai gali simuliuoti kvantinių laukų teoriją ir tirti juodųjų skylių informacijos paradoksą.
Kaip kvantiniai skaičiavimai pakeis pasaulį | Kvantinio kompiuterio paaiškinimas | TechXplainer
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.
Kitas itin sudėtingas iššūkis kuriant kvantinius kompiuterius yra kubitų tarpusavio sąveikos užtikrinimas. „Susiduriame su dviprasmiška situacija, kadangi kvantines sistemas reikia labai gerai izoliuoti nuo aplinkos triukšmų, bet kartu reikia užtikrini kubitų tarpusavio sąveiką ir sąveiką su kompiuterio valdymo sąsaja. Visa tai kol kas kelia labai daug papildomų inžinerinių sunkumų.
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.
Miesto universitetai ir mokslinių tyrimų institucijos aktyviai bendradarbiauja su verslu, skatindami naujų technologijų kūrimą ir pritaikymą. Ši sinergija ne tik stiprina akademinę bendruomenę, bet ir leidžia verslui gauti prieigą prie naujausių tyrimų ir inovatyvių sprendimų. Technologijų plėtra mieste taip pat prisideda prie socialinių ir ekonominių pokyčių. Skaitmeninės transformacijos procesai keičia tradicinius verslo modelius, skatindami efektyvumo didinimą ir naujų paslaugų kūrimą. Kartu su skaitmeninėmis inovacijomis, didėja ir dėmesys tvarumui bei atsakingam verslui. Technologijų įmonės vis dažniau orientuojasi į socialinę atsakomybę ir ekologiškas praktikas, kas daro teigiamą poveikį miestui ir jo gyventojams.
Lietuvos Perspektyvos Kvantinių Technologijų Srityje
Lietuva taip pat ruošiasi kvantinių technologijų erai: jau pristatytos Lietuvos kvantinių technologijų gairės - planas, kaip ši technologija bus vystoma mūsų šalyje.
Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto mokslo darbuotoja ir dėstytoja, Fizinių ir technologijos mokslų centro fizikė bei Lietuvos fizikų draugijos viceprezidentė dr. Kokias visuomenei aktualias problemas ši technologija galėtų padėti išspręsti? „Kalbame apie naujų vaistų kūrimą modeliuojant molekules atominiame lygmenyje, apie medžiagų su visiškai naujomis savybėmis atradimą, apie optimizavimo uždavinius, kurie šiandien atrodo neįmanomi“, - sakė dr. M.
Vilniaus universiteto Duomenų mokslo ir skaitmeninių technologijų instituto Blokų grandinių ir kvantinių technologijų grupės vyriausiasis mokslo darbuotojas, profesorius, grupės vadovas prof. dr. Remigijus Paulavičius pateikė kofeino molekulės pavyzdį: norint tiksliai sumodeliuoti visas kofeino molekulės energijų konfigūracijas - tai yra, kaip kiekvienas elektronas joje juda ir sąveikauja su kitais, klasikiniam kompiuteriui prireiktų apdoroti maždaug 10⁴⁸ bitų informacijos - ši užduotis jam neįmanoma.
„Šie, iš pažiūros, neįmanomi iššūkiai geriausiai atskleidžia kvantinės kompiuterijos galią. Kvantinė chemija, medžiagų mokslas - sritys, kur kvantiniai kompiuteriai gali sukelti tikrą perversmą. Pavyzdžiui, ateityje mes galėsime ne tik spėlioti, kaip veikia molekulės, bet ir tiksliai jas „sukurti“ bei ištirti kompiuteryje dar prieš žengdami į laboratoriją. Naujų vaistų kūrimas, unikalių savybių turinčių medžiagų projektavimas galėtų vykti virtualioje erdvėje - be ilgų ir brangių bandymų laboratorijose. Tai galėtų sutrumpinti, pavyzdžiui, naujų vaistų kūrimo laiką nuo dešimtmečių iki mėnesių ar net savaičių“, - kalbėjo dr. M.
Dar viena ypač aktuali sritis - interneto saugumas, bankinės operacijos, saugus elektroninis paštas ir daugybė kitų dalykų, kurie remiasi viešojo rakto kriptografija, pavyzdžiui, RSA algoritmu. Šių sistemų saugumas pagrįstas tuo, jog klasikiniams kompiuteriams yra nepaprastai sunku labai didelius skaičius išskaidyti į pirminius daugiklius.
Kaip paaiškino prof. dr. R. Paulavičius, turint pakankamai galingą ir stabilų kvantinį kompiuterį, kvantinis Šoro algoritmas pačius didžiausius skaičius, kurie yra RSA šifravimo pagrindas, galėtų išskaidyti per kelias valandas ar net minutes, o ne per tūkstantmečius.
„Visi mūsų saugomi duomenys, visa šifruota informacija galėtų būti atskleista. Ši grėsmė yra labai reali, ir pasaulis tam ruošiasi - vis aktualesnė tampa postkvantinė kriptografija (PQC). Tai naujos kartos kriptografiniai algoritmai, kuriami taip, kad būtų atsparūs tiek klasikinių, tiek kvantinių kompiuterių atakoms.
„Vyksta tarsi savotiškos lenktynės - sukurti ir įdiegti naujus, kvantiniams kompiuteriams atsparius šifravimo standartus, kol galingi kvantiniai kompiuteriai dar netapo plačiai prieinami. Tai - strateginės svarbos uždavinys. Svarbu ne tik sukurti naujus algoritmus, bet ir pradėti planuoti jų integravimą į esamas sistemas, nes šiam procesui gali prireikti didelių programinės ir techninės įrangos atnaujinimų. Kita aktuali grėsmė, kad piktavaliai šifruotus duomenis gali rinkti jau dabar, tikėdamiesi juos iššifruoti ateityje, kai turės prieigą prie galingo kvantinio kompiuterio“, - paaiškino prof. dr. R.
Visgi pažanga šioje srityje akivaizdi ir, kaip tikisi mokslininkai, svarbių naujienų turėtume sulaukti per artimiausius 10-20 metų.
Apskritai manome, kad yra labiau tikėtina, jog kažkas, o gal net keli žmonės, sugebės sukurti tikrai pramonėje naudingą kvantinį kompiuterį, o tai nėra kažkas, ką maniau galėsiąs padaryti 2025 m. pabaigoje“, - konferencijos metu sakė Joe Altepeter, JAV Gynybos pažangiųjų tyrimų projektų agentūros Kvantinių kompiuterių vertinimo iniciatyvos (QBI) programos vadovas.
„Man atrodo, kad 2025 m. pabaigoje visi pagrindiniai aparatūros komponentai daugiau ar mažiau parengti, pasiekė reikiamą tikslumą, galbūt pirmą kartą, ir liks tik šie didžiuliai klausimai apie… inžinerinius iššūkius“, - sakė Scott Aaronson iš Teksaso universiteto Ostine kitoje prezentacijoje.
Yra gerų priežasčių džiaugtis kvantinių kompiuterių aparatine įranga, tačiau programinės įrangos kūrimas atsilieka, sakė „Google“ atstovas Ryan Babbush.
Pavyzdžiui, Pranav Gokhale iš Infleqtion, įmonės, kuri gamina kvantinius įrenginius iš ypač šaltų atomų, pristatė klasikinį algoritmą - Shoro algoritmą, kuris galėtų būti naudojamas daugumai šiuolaikinių bankų naudojamoms šifravimo sistemoms įveikti. Šis darbas yra pirmasis Shor algoritmo versijos įgyvendinimas loginiuose kubituose - kvantinių kompiuterių komponentuose, apsaugotuose nuo klaidų.
Olandų startuolis QuantWare pristatė galimą sprendimą didžiausiam pramonės aparatinės įrangos iššūkiui - padidinti kvantinių kompiuterių dydį, kad jie taptų galingesni skaičiavimo atžvilgiu, tačiau nebūtų mažiau patikimi. Įmonės kvantinio procesoriaus architektūra žada įtraukti 10 000 kubitų, pagamintų iš superlaidžių grandinių, o tai yra maždaug šimtą kartų daugiau nei šiuo metu labiausiai naudojami superlaidūs kvantiniai kompiuteriai.
Matt Rijlaarsdam iš „QuantWare“ teigia, kad pirmieji tokio dydžio įrenginiai galėtų veikti visa galia per dvejus su puse metų.
Ir investicijos į šią pramonė, prognozuojama, augs nuo 1,07 mlrd. dolerių 2024 iki maždaug 2,2 mlrd.
2025-ieji oficialiai paskelbti Tarptautiniais kvantiniais metais.
Valstybės į šią technologiją jau dabar investuoja milijardus eurų. Europos tikslas - 2025-aisiais turėti pirmąjį superkompiuterį su kvantiniu pagreičiu, o iki 2030-ųjų - pirmauti kvantinių pajėgumų srityje.
Apibendrinant, kvantiniai kompiuteriai yra technologija, turinti didžiulį potencialą, tačiau vis dar susidurianti su reikšmingais iššūkiais. Nepaisant to, pažanga šioje srityje yra nuolatinė, o investicijos į tyrimus ir plėtrą auga, todėl tikėtina, kad ateityje pamatysime vis daugiau praktinių kvantinių kompiuterių pritaikymų.
tags: #kvantiniai #kompiuteriai #kodel #gali #buti #kad