Vilniaus universitetas (VU) siekia tapti kvantinių technologijų centru ir plėsti bendradarbiavimą tiek šalyje, tiek tarptautiniu mastu. Į 2024 m. VU įžengė būdamas Lietuvos kvantinių technologijų asociacijos nariu ir pasirašęs bendradarbiavimo sutartį su Poznanės superkompiuterių ir tinklų centru – pirma institucija Vidurio Europoje, prisijungusia prie IBM kvantinio tinklo.
Vilniaus universiteto Matematikos ir informatikos fakulteto superkompiuteris
„Kvantinių kompiuterių potencialas ir ideologija – įgalinti žmones išspręsti tai, ko negali šiuolaikiniai klasikiniai kompiuteriai. Šios sritys – tai kriptografija, cheminių procesų simuliavimas, finansai, logistika ir kt. Būtent dėl milžiniško kvantinių technologijų potencialo turėtume galvoti, kaip tapti paslaugų teikėjais, užuot buvę pirkėjais“, – teigia VU Matematikos ir informatikos fakulteto mokslo reikalų prodekanas ir Duomenų mokslo ir skaitmeninių technologijų instituto profesorius Remigijus Paulavičius. Su juo ir jo kolegomis dr. Ernestu Filatovu ir VU Matematikos ir informatikos fakulteto informacinių technologijų prodekanu prof. Povilu Treigiu kalbamės apie kvantinių kompiuterių istoriją, panaudojimo sritis ir kylančius iššūkius.
Kvantinių kompiuterių pradžia – dar 1959 m.
Pastaraisiais metais daug dėmesio skiriama kvantinių skaičiavimų temai, tačiau prof. R. Paulavičius pažymi, kad ji nėra tokia nauja, kaip gali pasirodyti iš visų pranešimų. Galima teigti, kad kvantinių skaičiavimų pradininkas yra Richardas Feynmanas, kuris dar 1959 m. gruodžio mėn. savo kalboje pripažino, kad kvantinės mechanikos pasaulis suteikia galimybę daryti dalykus, kurių paprastai nebūtų įmanoma padaryti makroskopinio, klasikinio pasaulio lygmeniu.
„Dar 1981 m. R. Feynmanas manė, kad kvantiniai kompiuteriai galės efektyviai spręsti arba emuliuoti kvantines problemas, kurios būtų eksponentinės prigimties, jei būtų sprendžiamos klasikiniu būdu. Devintajame dešimtmetyje vis daugiau mokslo ir verslo atstovų pradėjo teoriškai tyrinėti kvantinio kompiuterio koncepciją ir jo pritaikymą. Prasidėjo „antroji kvantinė revoliucija“, kurios metu kvantinė mechaninė elgsena buvo įvaldyta ir tiesiogiai panaudota ir kuri skyrėsi nuo pirmosios revoliucijos, davusios pradžią puslaidininkių pramonei ir lazeriams“, – pasakoja mokslininkas.
Prof. Remigijus Paulavičius
1994 m. Peterio Shoro atrastas polinominio laiko kvantinis algoritmas sveikiesiems skaičiams faktorizuoti ir diskretiesiems logaritmams skaičiuoti buvo proveržis, paskatinęs didžiulį susidomėjimą kvantiniais skaičiavimais.
„Tai buvo pirmasis kvantinis algoritmas, parodęs superpolinominį pagreitį – didžiulė naujovė, palyginti su klasikiniais algoritmais, galinčiais išspręsti tą patį uždavinį. Kitus du dešimtmečius kvantinės aparatinės įrangos, algoritmų ir programinės įrangos tyrimai vyko jau visame pasaulyje, tačiau gana fragmentuotai ir tik 2010-ųjų viduryje pradėta dirbti su vientisa (angl. full-stack) kvantinių kompiuterių sistema“, – teigia prof. R. Paulavičius.
Galiausiai 2016 m. gegužę privačiame sektoriuje įvyko lūžis – IBM pristatė pirmąją debesijos platformą, skirtą prieigai prie kvantinių kompiuterių. Šis įvykis pabrėžė, kad kvantinė kompiuterija iš laboratorijų persikelia į platųjį pasaulį.
„Būtent po šio įvykio kvantinė kompiuterija sulaukė didžiulio privataus sektoriaus susidomėjimo. Šiandien komercinės bendrovės inicijuoja svarbias mokslinių tyrimų temas, kad kvantinė kompiuterija taptų praktiškai pritaikoma vartotojams ir jų taikomosioms programoms, o didžiosios pasaulio valstybės aktyviai remia šia naują tyrinėjimų sritį“, – pažymi prof. P. Treigys.
Prof. Povilas Treigys
Kvantiniai kompiuteriai atveria naujas skaičiavimų galimybes
Informacinių technologijų prodekanas pasakoja, kad kvantinė kompiuterija (arba kvantiniai skaičiavimai) – tai kompiuterijos rūšis, kurioje operacijoms su duomenimis atlikti naudojami kvantinės mechanikos principai. Skirtingai nuo šiuo metu įprastų klasikinių kompiuterių, kurie naudoja bitus, galinčius įgyti reikšmes 0 arba 1, kvantiniai kompiuteriai naudoja kvantinius bitus arba kubitus.
„Dėl kvantinio reiškinio, vadinamo superpozicija (angl. superposition), kubitai vienu metu gali būti kelių būsenų, todėl kvantiniai kompiuteriai gali lygiagrečiai apdoroti informaciją. Kita svarbi kvantinių kompiuterių sąvoka yra susietumas (angl. entanglement), kai vieno kubito būsena yra tiesiogiai susijusi su kito kubito būsena, nepriklausomai nuo fizinio atstumo tarp jų. Šis susietumas leidžia kvantiniams kompiuteriams spręsti uždavinius daug efektyviau nei klasikiniams kompiuteriams“, – sako mokslininkas.
Didžiųjų duomenų apdorojimas šiuo metu atliekamas klasikiniais kompiuteriais ir apima manipuliavimą didžiuliais duomenų kiekiais ir jų analizę, siekiant išgauti reikšmingų įžvalgų. Šiandien klasikiniai kompiuteriai gali apdoroti didelius duomenų kiekius, bet susiduria su apribojimais sprendžiant vadinamąsias eksponentinio sudėtingumo problemas.
„Vienas iš pavyzdžių – įvairūs optimizavimo uždaviniai. Kvantiniai kompiuteriai gali atverti visiškai naujas galimybes, suteikdami pranašumų sprendžiant uždavinius, kurie šiuo metu yra neįveikiami klasikiniams kompiuteriams. Tačiau kvantiniai kompiuteriai nėra tiesioginis klasikinių kompiuterių pakaitalas ir labai tikėtina, kad netolimoje ateityje šios dvi technologijos papildys viena kitą“, – priduria dr. E. Filatovas.
Dr. Ernestas Filatovas
Į kvantinės kompiuterijos plėtrą įsitraukia tiek įmonės, tiek mokslo institucijos
Iš pirmaujančių ir toliausiai pažengusių šalių kvantinės kompiuterijos mokslinių tyrimų ir plėtros srityje būtų galima išskirti JAV, Kiniją, Kanadą ir Europos Sąjungą. JAV yra labai svarbi plėtojant kvantinę kompiuteriją, tad čia aktyviai įsitraukia tiek privačios bendrovės, tokios kaip „IBM“, „Google“ ir „Microsoft“, tiek įvairios akademinės institucijos.
„Kinija daug investavo ir toliau masiškai investuoja į kvantines technologijas, įskaitant kvantinę kompiuteriją. Be akademinių institucijų, tokios bendrovės kaip „Alibaba“ ir „Baidu“ taip pat aktyviai plėtoja kvantinės kompiuterijos projektus ir šalis jau pademonstravo svarius pasiekimus kvantinės komunikacijos ir kvantinės kompiuterijos tyrimų srityje“, – pažymi dr. E. Filatovas.
Kvantinės pažangos srityje neatsilieka ir Kanada bei Europos Sąjunga. Kanadoje taip pat gausu mokslininkų ir bendrovių, įskaitant „D-Wave Systems“, kurie svariai prisidėjo prie kvantinės kompiuterijos pažangos.
„Įvairios Europos Sąjungos šalys investuoja į kvantines technologijas. Europos Sąjunga pradėjo Kvantinių technologijų pavyzdinę programą (angl. Quantum Technologies Flagship Program), skirtą kvantinių mokslinių tyrimų ir plėtros projektams remti“, – pasakoja mokslininkas.
Viešojo sektoriaus investicijos į kvantines technologijas pagal šalis. Pirmaujančios šalys yra ir daugiausia investuojančios į šią technologiją
Pritaikymo sritys: nuo finansinio modeliavimo iki vaistų kūrimo ir medžiagų mokslo
Šiuo metu pagrindinės kvantinių kompiuterių taikymo sritys yra gamtos modeliavimas, duomenų apdorojimas (įskaitant mašininį mokymąsi) ir operacijų tyrimai (apimantys finansų inžineriją, paiešką ir optimizavimą). Tarp aktyviausiai kvantinių skaičiavimų perspektyvas tyrinėjančių sektorių, be finansų ir bankininkystės, galėtume išskirti aviacijos, kosmoso ir automobilių pramonės, taip pat aukštųjų technologijų gamybos, medžiagų ir chemijos pramonės sektorius.
„Aviacijos ir kosmoso sektoriaus įmonių tiriamos sritys apima medžiagų koroziją, orlaivių projektavimą, oro linijų logistiką ir (arba) planavimą ar skysčių dinamikos tyrimus. Automobilių pramonėje kvantiniai kompiuteriai padeda nagrinėti tokias temas kaip prognozuojama procesų stebėsena, tiekimo grandinės logistikos optimizavimas. Kvantiniai kompiuteriai ateityje užims svarbią vietą ir kuriant vaistus bei plėtojant medžiagų mokslą, nes atveria didžiules galimybes modeliuoti molekulines ir chemines sąveikas efektyviau nei su klasikiniais kompiuteriais. Labai svarbu pabrėžti, kad, atsižvelgiant į dabartinį supratimą ir pažangą, kvantinė kompiuterija siekia papildyti, o ne pakeisti klasikinius kompiuterius, ypač tradicines didelio našumo skaičiavimo infrastruktūras“, – pasakoja prof. P. Treigys.
Ne mažiau potencialo įžvelgiama ir optimizavimo srityje, kur jau dabartiniai tyrimai atskleidžia kvantinių skaičiavimų perspektyvumą. Šioje srityje kvantiniai kompiuteriai padeda sprendžiant sudėtingus ir klasikiniais kompiuteriais tik apytiksliai išsprendžiamus optimizavimo uždavinius, tokius kaip maršrutų optimizavimas, portfelio optimizavimas finansų srityje ar išteklių paskirstymas.
Dar viena šių kompiuterių taikymo sritis – finansinis modeliavimas, kur kvantiniais kompiuteriais siekiama spręsti sudėtingas finansinio modeliavimo ir rizikos įvertinimo problemas, užtikrinant greitesnius ir tikslesnius rezultatus.
„Daugybė finansų įmonių tyrinėja kvantinės kompiuterijos naudojimą. Jų tiriamos sritys apima rizikos valdymą, klientų segmentavimą ir kitas mašininio mokymosi problemas, finansinio portfelio optimizavimą, sukčiavimų aptikimą ir kt.“, – teigia prof. R. Paulavičius.
Kelyje laukia nemažai iššūkių
Kvantinė kompiuterija kelia didelę riziką kibernetinio saugumo infrastruktūrai, kuri yra mūsų šiuolaikinio amžiaus elektroninio saugumo pagrindas. Tad šiandien daug dėmesio skiriama pokvantinių (angl. post-quantum) kriptografinių algoritmų, kurie būtų saugūs tiek klasikiniams, tiek kvantiniams kompiuteriams, vystymui.
„Nuo tada, kai prieš 30 metų buvo atrastas Šoro (angl. Shor) faktorizavimo algoritmas, šios srities plėtrai didelę reikšmę turėjo tai, kad kvantiniai kompiuteriai gali būti panaudoti įsilaužiant į įprastai naudojamas kriptografines sistemas. Nors šiuo metu turimi kvantiniai kompiuteriai dar nėra tokio lygio, kad keltų pavojų saugumui, siekiama sukurti kriptografinius algoritmus, skirtus ateities kvantiniams kompiuteriams“, – pripažįsta prof. R. Paulavičius.
Kvantiniai kompiuteriai turi didžiausią potencialą būti naujai pritaikyti tuose sektoriuose, kuriuose susiduriama su uždaviniais, nepatogiais spręsti šiuolaikiniais klasikiniais kompiuteriais.
„Kvantiniais kompiuteriais galime atlikti tam tikrus skaičiavimus daug greičiau, o tai padėtų našiau analizuoti duomenis ir apdoroti specifinius algoritmus bei atlikti užduotis. Tačiau kol kas kvantiniai kompiuteriai yra jautrūs triukšmams, dėl kurių atsiranda skaičiavimo klaidos. Būtent triukšmo analizei galima pasitelkti klasikinę našiųjų skaičiavimų infrastruktūrą“, – teigia prof. P. Treigys.
„Kvantiniai kompiuteriai naudojasi kvantine superpozicija, todėl vienu metu gali apdoroti kelias galimybes. Šis lygiagretumas gali padidinti tam tikrų algoritmų efektyvumą, ypač užduočių, turinčių daug galimų sprendinių“, – tvirtina dr. E. Filatovas.
Būtent naudojama superpozicija padaro kvantinius kompiuterius išskirtinius sprendžiant optimizavimo uždavinius, kurie gana dažni apdorojant didelius kiekius duomenų.
„Kvantiniai skaičiavimai teikia daug vilčių transformuojant didžiųjų duomenų apdorojimo sritį. Vis dėlto, prieš pradedant juos plačiai taikyti, reikia įveikti nemažai iššūkių. Tam reikalingas mokslininkų, inžinierių ir pramonės ekspertų bendradarbiavimas, siekiant sukurti galingesnius kvantinius kompiuterius, efektyvesnius jiems skirtus algoritmus ir tikslesnius klaidų taisymo metodus“, – pažymi mokslininkas.
Ateityje – vis didesnis kubitų skaičius ir sumažėjusi klaidų rizika
Pastaraisiais metais bendrovės ypač sparčiai žengia į priekį kurdamos kompiuterius su vis didesniu kubitų skaičiumi. Būtent nuo kubitų skaičiaus tiesiogiai priklauso uždavinių, galimų išspręsti kvantiniais kompiuteriais, dydis, taip pat ir praktinis kvantinių skaičiavimų pritaikomumas.
„2019 m. IBM pristatytame kompiuteryje buvo galima vykdyti skaičiavimus su 27 kubitais. Šiandien įmonė jau siūlo kompiuterį, leidžiantį spręsti uždavinius su daugiau nei 1000 kubitų, o 2025 m. planuoja turėti kompiuterį su daugiau nei 4000 kubitų“, – pasakoja dr. E. Filatovas.
„IBM Quantum“ kvantinių superkompiuterių vystymo kelrodis
Per pastaruosius kelerius metus, be vis didesnio kvantinių kompiuterių kubitų skaičiaus, šioje ekosistemoje trys pagrindinės temos buvo kvantinių kompiuterių, galinčių spręsti klasikiniams kompiuteriams sunkiai įveikiamus uždavinius, kūrimas, kvantinių kompiuterių panaudojimas mokslinės ir komercinės svarbos problemoms tirti ir šių pasiekimų plėtojimas siekiant sukurti visiškai atsparų klaidoms kvantinį kompiuterį.
„Kiekviena iš šių temų pareikalavo daug investicijų į mokslinius tyrimus, sistemų inžineriją ir ekosistemos kūrimą. Šias investicijas rėmė viso pasaulio vyriausybės, todėl reikia tikėtis, kad artimiausiais metais jos bus ir toliau tęsiamos ir didinamos, siekiant dar didesnio ir greitesnio šios transformuojančios technologijos plėtojimo, didesnio ir glaudesnio akademinių tyrėjų, organizacijų ir komercinių paslaugų teikėjų bendradarbiavimo. Visa tai padės spręsti uždavinius, kurie šiuolaikiniams klasikiniams kompiuteriams per sudėtingi ir sunkiai įveikiami, tačiau bus gerokai efektyviau išspręsti pasitelkiant kvantinius kompiuterius kartu su klasikine našiųjų skaičiavimų infrastruktūra“, – viliasi prof. R. Paulavičius.
2024-03-06