Prenumeruokite laikraštį „Galvė“ antram šių metų pusmečiui. Kaina 25 eurai.  

Kvantiniai kompiuteriai ir kvantiniai skaičiavimai

Doc. dr. Mindaugas Mačernis

Kai prieš 20 metų buvo sukurtas pirmasis kvantinio kompiuterio prototipas, tai vis dar buvo abejojama, ar nėra tai tik niekuo nepagrįstos fantazijos. Kvantinio kompiuterio idėjos pagrindiniai fantazijos kūrėjai buvo Albertas Einšteinas, Ričardas P. Feimanas ir Jonas S. Bellas. Feimanas suprato, kad kvantinis kompiuteris – tai faktiškai įgyvendinamas labai keistai veikiančio teorinio kompiuterio modelis. Tuo tarpu Einšteinas buvo iškėlęs idėją, kad kažkas čia nėra gerai su pačia kvantine mechanika, nes kaip dalelė esanti žemėje gali žinoti apie kitą dalelę esančią mėnulyje. Vėliau Bellas sugalvojo eksperimentą, kaip įsitikinti, ar kvantinė mechanika teisinga. Reikėjo daugiau nei 50 metų, kad eksperimentas būtų tiek ištobulintas, kad nebekiltų jokių klausimų apie tai, ar dvi dalelės bet kokiu atstumu yra viena su kita vis tiek susietos. Šis Bello eksperimentas dabar plačiai naudojamas tikrinti, kaip gerai veikia kvantinis kompiuteris. Kažkada mums įprastiniai kompiuteriai buvo tik didelių laboratorijų įrenginiai, o šiuo metu daug galingesnius nešiojamės kišenėje, matyt, ir kvantinis kompiuteris – dirbantis tik prie beveik absoliutaus nulio ir būdamas šiandien laboratorijų tyrimo objektas – ateityje bus ant rankos nešiojamas kasdienos atributas. Visgi, kvantinio kompiuterio idėja yra pagrįsta kvantinės mechanikos egzistavimu mus supančioje aplinkoje.

Kvantinė mechanika

Kvantinė mechanika apibrėžia keistą faktą, kad pasaulis sudarytas iš dalelės-bangos neatskiriamo dualumo. Čia atomai kartais elgiasi kaip atšokantys krepšinio kamuoliai, o kartais elgiasi – kaip garsas ar šviesa. Toks dualumas mažose sistemose kaip atomuose egzistuoja tik diskretinėse energijų būsenose. Tad atomas pereidamas iš vienos į kitą būseną, sugeria arba emituoja tam tikras fiksuoto dydžio energijos vienetus, vadinamus kvantais. Tuo pačiu dalelė yra banga ir ji taip pat kaip vandens banga gali persikloti viena su kita. Tokiu atveju elektronas kartais gali būti iš karto čia ir ten vienu metu. Šis faktas buvo panaudotas Bello nelygybei, kad „pagauti“ dalelę iš karto abiejose vietose. Pagal kvantinę mechaniką elektrono padėtis nėra žinoma tol, kol neįvyksta kokia nors sąveika.

Kai dvi kvantinės bangos yra persiklojusios (superpozicijoje), sakoma, kad jos yra koherentinės, o kai jos atgauna savo individualias savybes – tai jos tampa dekoherentinės. Tokia elektrono superpozicija tarp dviejų skirtingų energijos būsenų gali gyvuoti net iki kelių dienų, kol įvyksta dekoherensas. Ši savybė ypač svarbi kvantiniams kompiuteriams.

Kvantinė informacija

Prestižinę Nobelio Fizikos premija Fizikos srityje 1944 metais buvos skirta Isidor Isaac Rabi, kuris pirmasis parodė, kaip įrašyti kvantinę informaciją į kvantinę sistemą panaudojant lazerio spindulį. Pati idėja, kad 0 įrašome tada, kai nieko nedarome, o 1 – kai palaipsniui sužadiname atomą. Paprastame kompiuteryje turime aiškiai fiksuotas vertes: arba 0, arba 1, o jeigu yra neaiški vertė – tai kompiuterinė klaida. Kvantinėje informacijoje yra superpozicija 0 ir 1, o tai suformuoja kubitą, kuris paremtas visiškai kitokiais principiniais skaičiavimais. Nuskaitant pastarąją sistemą – rezultatas yra susietas su tikimybėmis ar tai bus 0, ar tai bus 1, o rezultatą sužinome tik kai pasižiūrime. Feimanas šį fenomeną pastebėjęs, suprato, kad toks procesas idealiai tinka teoriniam kompiuteriui paremtam tikimybiniais principais, kurio teorinis greitis yra eksponentiškai greitėjantis lyginant su paprastais bitais paremtais skaičiavimais.

Kvantiniai skaičiavimai

Paprasti kompiuteriniai įrenginiai naudoja tiesines grandines, kurios programuojamos iš elementarių vartų. Pavyzdžiui, loginiai vartai NOT, pakeičia tiesa į netiesa ir atvirkščiai. Iš tokių elementarių vartų, juos apjungiant į dešimtis, šimtus ar milijonus loginių gardinių, galima atlikti labai sudėtingus skaičiavimus, duomenų analizes, sudėtingus valdymo uždavinius. Artur Eker įrodė, kad kvantinis kompiuteris gali atlikti taip pat bet kokio tipo įprastus skaičiavimus. Tai suformavo naują požiūrį, kad kvantinis kompiuteris gali būti realiai panaudojamas teoriškai neišsprendžiamiems uždaviniams spręsti. Toliau vystantis, atsirado realiai naudojami, nors ir simuliuojant su klasikiniais kompiuteriais, kvantiniai algoritmai, kaip kvantinė Furje transformacija.

Kvantinė ateitis jau čia

Šiuolaikinis duomenų šifravimas pagrįstas idėja, kad joks žinomas klasikinis algoritmas negali jo „nulaužti“ per protingą laiko tarpą. Iki pastarųjų metų įprastas duomenų šifravimas buvo pagrįstas RSA, kurio ilgis 2048 bitų ilgiu, o jį „nulaužti“ reiktų su galingiausiais pasaulio superkompiuteriais 25 metų. Kvantiniam kompiuteriui teoriškai reiktų 2-4  tūkst.  kubitų ir tokį RSA šifrą nulaužia per 8 valandas. Tiek kubitų jau faktiškai yra: D-Wave kvantinis kompiuteris turi 2048 kubitus, o kitais metais planuojama pagaminti 5640 kubitų. Beje, internete daug kur spekuliuojama, kad galima iš superkompiuterių padaryti 2 tūkst. kubitų kvantinio kompiuterio simuliatorių. Kaip tai atsiliepia kasdienybėje? Ogi nuo šių metų naujausios Linux sistemos reikalauja, kad privatūs raktai būtų didesni nei 2048 bitų, nes jau darosi akivaizdu, kad saugumo esamomis prielaidomis nebegalima užtikrinti. Ar yra saugumui vilties? Taip ir čia pagelbėja vėl kvantinė mechanika, tiksliau – kvantinė kriptografija. Ji pagrįsta tuo, kad kvantinė mechanika neleidžia kopijuoti kvantinių būsenų ir šis fundamentinis gamtos draudimas gali būti panaudotas šifruoti duomenis. Dar daugiau, atsiveria informacijos teleportavimo galimybės apie kurias, matyt, pradėsime neužilgo išgirsti, o gal net ir netolimoje ateityje naudoti.