Kvantiniai kompiuteriai: ar galime tiksliau modeliuoti Visatą?

XX a. pirmojoje pusėje matematikai mėgino nustatyti skaičiavimo galimybių ribas. 1936 m. Alanas Turingas apibrėžė abstraktų skaičiavimo modelį – Tiuringo mašiną. Jis taip pat parodė, kad universali Tiuringo mašina gali vykdyti bet kurį algoritmą, jeigu šis pateikiamas kaip baigtinė instrukcijų seka. Tačiau egzistuoja uždavinių, kurių negali išspręsti joks algoritmas. 1981 m. Nobelio premijos laureatas Richardas Feynmanas iškėlė mintį: gamta yra kvantinė, todėl kvantines sistemas reikėtų modeliuoti kitomis valdomomis kvantinėmis sistemomis. Tokie kvantiniai simuliatoriai galėtų padėti tirti atomų, molekulių, medžiagų ir kitų daugelio kvantinių dalelių sistemų elgseną.

Klasikiniame lygiagrečiajame skaičiavime keli procesoriai pasidalija užduotį: vienas skaičiuoja vieną jos dalį, kitas – kitą, todėl per tą patį laiką galima atlikti kelis skaičiavimus. Kvantinis lygiagretumas veikia kitaip. Kubitų superpozicija leidžia tą pačią operaciją vienu metu pritaikyti kelioms galimoms įvesties būsenoms. Tačiau kvantinis kompiuteris negali perskaityti visų taip gautų rezultatų – matavimo metu gaunamas tik vienas klasikinis atsakymas. Kvantinis algoritmas turi pasitelkti interferenciją: sustiprinti amplitudes būsenų, atitinkančių ieškomą atsakymą, ir nuslopinti kitų būsenų amplitudes.

Kvantiniai kompiuteriai padeda spręsti uždavinius, neįveikiamus klasikiniams kompiuteriams. Jie galėtų ne tik apskaičiuoti molekulių ir medžiagų savybes, bet padėtų parinkti norimas savybes turinčias struktūras bei jų sintezės būdus. Toks atvirkštinis molekulių ir medžiagų projektavimas paspartintų vaistų, katalizatorių ir baterijų kūrimą. Pavyzdžiui, būtų galima ieškoti baterijų medžiagų, kurioms reikėtų mažiau brangių, sunkiai išgaunamų arba aplinkai žalingų žaliavų, tokių kaip kobaltas, nikelis ar litis.

Kvantiniais kompiuteriais jau tiriami nedideli astrofizikai svarbių kvantinių procesų modeliai: kolektyviniai neutrinų virpesiai, tankioji branduolinė medžiaga ir S. Hawkingo spinduliuotės analogai. Taip pat kuriami kvantiniai spinduliuotės pernašos, hidrodinamikos ir kosmologinių duomenų analizės algoritmai, tačiau jie dar nepasiekė realiems astrofizikiniams uždaviniams reikalingo masto. Kvantiniais procesoriais modeliuota nedidelių sąveikaujančių neutrinų sistemų dinamika, svarbi supernovų fizikai, o tikroviškesniems modeliams reikės daug didesnių, klaidoms atsparių kvantinių kompiuterių.

Kvantiniai kompiuteriai taip pat naudojami kvantinės termodinamikos reiškiniams tirti: kaip mikroskopinėse kvantinėse sistemose perduodama šiluma, atliekamas darbas, kinta entropija ir nusistovi šiluminė pusiausvyra. Parodyta, kad informacija apie kubitų būseną gali būti panaudota energijai išgauti ir kvantinei baterijai įkrauti, tuo pačiu termodinamikos dėsniai dėl to nepažeidžiami.

Sudėtingų sąryšių turinčių uždavinių pasitaiko ir kasdienybėje. Juose daugelis priežasčių ir pasekmių yra tarpusavyje susijusios, o kiekvienas naujas įvykis gali pakeisti visos sistemos būseną. Tokius uždavinius jau sprendžia šiuolaikiniai klasikiniai mašininio mokymosi metodai, tačiau tiriama, ar tam tikrais atvejais juos galėtų papildyti kvantinis mašininis mokymasis.

Finansinių paslaugų įmonės jau atlieka pirmuosius kvantinių metodų bandymus rizikai vertinti ir sukčiavimui aptikti. Pavyzdžiui, dažnas prisijungimas prie sąskaitos savaime nebūtinai yra įtartinas, kaip ir prisijungimas iš naujos vietos. Tačiau neįprastas prisijungimų dažnio, vietos, laiko ir pinigų pervedimų derinys gali rodyti sukčiavimą. Paprastos taisyklėmis pagrįstos sistemos tokius požymius dažnai vertina atskirai, o pažangesni klasikiniai ir eksperimentiniai kvantiniai modeliai mėgina nustatyti sudėtingesnius jų tarpusavio ryšius. Ateityje tikimasi, kad kvantiniai metodai leis tokius sudėtingus požymių derinius aptikti greičiau arba tiksliau.

Kita galima kvantinių kompiuterių taikymo sritis – logistikos optimizavimas. Pasaulinės krovinių gabenimo ir tiekimo grandinių valdymo bendrovės turi parinkti maršrutus atsižvelgdamos ne tik į atstumą, bet ir į degalų kainas, muitus, pristatymo trukmę, taršos reikalavimus bei geopolitinę riziką. Didėjant galimų maršrutų, transporto priemonių ir apribojimų skaičiui, tokius uždavinius tampa vis sunkiau išspręsti net pažangiais operacijų tyrimo metodais. Viename bandyme bendrųjų tiekimo sąnaudų uždavinys buvo performuluotas taip, kad jį galėtų spręsti kvantinio atkaitinimo įrenginys. Jis rado mažesnių sąnaudų sprendinį nei konkretūs palyginimui naudoti klasikiniai modeliai. Šią kvantinių algoritmų kryptį išplėtojo Latvijos mokslininkas Andris Ambainis.

Profesoriaus A. Ambainio ir docento Aleksandro Belovo sukurti algoritmai bei metodai sudaro pagrindą net iki penktadalio pasaulio kvantinių algoritmų. Svarbiausias A. Ambainio indėlis – ne vienas konkretus algoritmas, o keli kvantinių algoritmų konstravimo ir jų galimybių ribų nustatymo metodai.

Lietuvoje fiziko prof. Gedimino Juzeliūno grupė tiria šaltuosius atomus, topologines kvantines būsenas ir analoginį kvantinį modeliavimą. Vilniaus universiteto Fizikos fakultete kvantinių kompiuterių veikimas taip pat imituojamas klasikiniais superkompiuteriais, modeliuojant kvantines grandines.

ES ir Europos valstybių bendros superkompiuterių iniciatyvos „EuroHPC“ infrastruktūrą sudaro ne vienas galingas universalus kvantinis kompiuteris, o 8 skirtingų architektūrų sistemos, integruojamos į Europos superkompiuterių centrus. Šešios „EuroHPC JU“ įsigytos sistemos yra: 12 fotoninių kubitų „Lucy“ Prancūzijoje, 20 įkalintųjų jonų kubitų „PIAST-Q“ Lenkijoje, 24 superlaidžiųjų kubitų „VLQ“ Čekijoje, 54 superlaidžiųjų kubitų „Euro-Q-Exa“ Vokietijoje, 140 neutraliųjų atomų kubitų „SOL“ Italijoje ir superlaidusis kvantinio atkaitinimo įrenginys „EuroQCS-Spain“ Ispanijoje. „Euro-Q-Exa“ iki 2026 m. pabaigos numatyta išplėsti iki 150 kubitų.

Artimiausiu metu kvantiniai kompiuteriai tikriausiai pirmiausia bus naudojami projektuoti kvantines medžiagas, modeliuoti sudėtingas chemines reakcijas ir katalizės procesus, kurti kvantinius įrenginius, tirti dalelių ir energijos pernašą medžiagose ir pan. Kvantiniai simuliatoriai padės nagrinėti esminius kosmologijos, dalelių fizikos ir gravitacijos ir kvantinės termodinamikos klausimus.

Ar kvantiniai kompiuteriai gali padėti modeliuoti sudėtingas sistemas, tokias kaip procesai kosmose? Kuo jie skiriasi nuo įprastų kompiuterių ir ką galima apskaičiuoti šiandien? Kas yra kubitas ir kvantinė informacija; kuo kvantiniai skaičiavimai skiriasi nuo klasikinių; kokias problemas galima modeliuoti (medžiagos, signalai, procesai kosmose) ir kodėl „Visatos modeliavimas“ yra tik supaprastintas apibūdinimas. Apie tai sužinosite dr. Mindaugo Mačernio paskaitoje, kuri įvyks rugsėjo 11 d. 10.30 val. Nacionalinio Fizinių ir technologijos mokslų centro B435 auditorijoje (Saulėtekio al. 3, Vilnius). Būtina registracija.