Kaip rašo livescience.com, tai nebuvo pirmas kartas, kai kažkas suabejojo kvantiniu skaičiavimu. Praėjusiais metais Monpeljė (Prancūzija) universiteto fizikas teoretikas Michelis Dyakonovas straipsnyje „IEEE Spectrum“, viename reikšmingiausių energetikos ir kompiuterinės inžinerijos žurnalų, pateikė daugybę techninių priežasčių, dėl kurių abejoja praktinių kvantinių superkompiuterių ateitimi.
Tad kaip suprasti, kas vyksta?
Ilgą laiką su kvantiniais skaičiavimais dirbusio informatiko Subhasho Kako teigimu, dėl atsitiktinių techninės įrangos klaidų neišvengiamumo yra menkai tikėtina, kad kada nors bus sukurti naudą nešantys kvantiniai kompiuteriai.
Kas yra kvantinis kompiuteris?
Norint suprasti, kodėl taip yra, reikia suvokti, kaip veikia kvantiniai kompiuteriai, mat jie nuo klasikinių kompiuterių skiriasi iš esmės.
Klasikiniai kompiuteriai informacijai saugoti naudoja vienetus ir nulius. Šie skaičiai gali būti įtampos skirtingose elektrinės grandinės dalyse. Tačiau kvantinis kompiuteris veikia pasitelkdamas kvantinius bitus, kitaip dar vadinamus kubitais. Juos galima pavaizduoti kaip bangas, siejamas su amplitude ir faze.
Kubitai turi ypatingų savybių: jie gali egzistuoti superpozicijoje, kur tuo pačiu metu turi ir vieneto, ir nulio reikšmę, jie taip pat gali būti tarpusavyje susiję taip, kad turi tas pačias fizines savybes net ir tada, kai juos skiria dideli atstumai. Tokių dalykų klasikinės fizikos pasaulyje nėra. Kai eksperimento rezultatas patikrinamas, superpozicija pradingsta.
Dėl superpozicijos kvantinis 100 kubitų kompiuteris tuo pačiu metu gali išreikšti 2100 sprendimų. Tam tikrų uždavinių atveju šis eksponentinis paralelizmas gali būti pasitelkiamas milžiniškam greičio pranašumui sukurti. Pavyzdžiui, kai kuriuos kriptografinius uždavinius kvantinė mašina gali išspręsti eksponentiškai greičiau.
Egzistuoja ir kitoks, siauresnis kvantinio skaičiavimo metodas – vadinamasis kvantinis atkaitinimas, kai kubitai pasitelkiami optimizavimo problemų sprendimams pagreitinti. Kanadoje įsikūrusi kompanija „D-Wave Systems“ sukūrė optimizacijos sistemas, šiam tikslui naudojančias kubitus, tačiau kritikai taip pat tvirtina, kad tokios sistemos nėra geresnės nei klasikiniai kompiuteriai.
Nepaisant to, kompanijos ir valstybės į kvantinius skaičiavimus investuoja didžiules pinigų sumas. Kinija įkūrė naują kvantinių tyrimų centrą, kurio vertė yra daugiau nei devyni milijardai eurų, o Europos Sąjunga sukūrė milijardo vertės kvantinių technologijų iniciatyvą. Remiantis Jungtinių Valstijų Nacionaliniu kvantinių iniciatyvų aktu, kvantinės informatikos skatinimui per penkerių metų laikotarpį skiriama 1,2 milijardo dolerių (maždaug 1,08 milijardo eurų).
Siekis nulaužti šifravimo algoritmus – stiprus motyvacinis veiksnys daugeliui valstybių: jei joms sėkmingai pavyktų tą padaryti, tai suteiktų milžinišką žvalgybinį pranašumą. Tačiau investicijos taip pat skatina svarbius fizikos tyrimus.
Daugelis kompanijų, įskaitant „Intel“ ir „Microsoft bei „Google“ ir IBM, stengiasi kurti kvantinius kompiuterius. Šios kompanijos bando sukurti techninę įrangą, kuri atkartotų klasikinių kompiuterių grandinės modelį. Tačiau dabartinės eksperimentinės sistemos turi mažiau nei 100 kubitų. Norint pasiekti naudingą skaičiavimo našumą, ko gero, reikia šimtus tūkstančių kubitų turinčių mašinų.
Triukšmo ir klaidų taisymas
Matematika, kuria remiasi kvantiniai algoritmai, yra aiški ir nusistovėjusi – matematiškai viskas yra suskaičiuota, tačiau išlieka bauginančių inžinerinių iššūkių.
Kad klasikiniai kompiuteriai tinkamai veiktų, jie privalo ištaisyti visas mažas atsitiktines klaidas. Kvantiniuose kompiuteriuose tokių klaidų atsiranda dėl netobulų grandinės elementų ir kubitų sąveikos su apie juos esančia aplinka. Dėl šių priežasčių kubitai gali per sekundės dalį netekti darnumo, tad skaičiavimas turi būti atliktas per dar trumpesnį laiką. Jei atsitiktinės klaidos, kurios bet kurioje sistemoje yra neišvengiamas dalykas, neištaisomos, kompiuterio gauti rezultatai bus beverčiai.
Klasikiniuose kompiuteriuose nedidelį triukšmą galima ištaisyti pasinaudojant slenksčio metodu. Tai veikia skaičių apvalinimo principu. Tad, pavyzdžiui, perduodant sveikuosius skaičius, kai žinoma, kad paklaida yra mažiau nei 0,5, jei gaunama 3,45, gautą reikšmę galima ištaisyti į tris.
Kitos klaidos gali būti ištaisomos pasitelkiant perteklių. Tad jei nulis ir vienetas yra perduodami kaip 000 ir 111, tada vieno bito klaida, įvykusi per perdavimą, gali būti lengvai ištaisyta: 001 laikoma nuliu, o 101 – vienetu.
Kvantiniai klaidų taisymo kodai yra klasikinių apibendrinimas, tačiau esama esminių skirtumų. Pirma, nežinomi kubitai negali būti nukopijuojami pasitelkiant perteklių kaip klaidų taisymo metodą. Be to, klaidų, esančių gaunamuose duomenyse prieš tai, kai pasinaudojama klaidų taisymo kodu, ištaisyti negalima.
Kvantinė kriptografija
Nors triukšmo problema kvantinių kompiuterių įgyvendinimui yra rimtas iššūkis, kvantinės kriptografijos atveju taip nėra: čia susiduriama su atskirais kubitais, jie ilgą laiką gali išlikti atskirti nuo aplinkos. Kvantinė kriptografija leidžia dviem vartotojams apsikeisti labai dideliais skaičiais, kitaip vadinamais raktais, kurie apsaugo duomenis – niekas negali įsilaužti į apsikeitimo raktu sistemą. Toks apsikeitimas raktu gali padėti apsaugoti ryšį tarp palydovų ir karinių jūrų laivų. Tačiau pats šifravimo algoritmas, naudojamas po to, kai apsikeičiama raktu, išlieka klasikinis, tad teoriškai toks šifravimas nėra tvirtesnis už klasikinius metodus.
Kvantinė kriptografija ribotai naudojama komercinėje srityje – didelės vertės bankinėms operacijoms. Tačiau abi šalys privalo būti autentifikuojamos naudojant klasikinius protokolus, o grandinė yra tiek stipri, kiek stipri yra silpniausia jos grandis, todėl tai nedaug skiriasi nuo esamų sistemų. Bankai tebevykdo klasikinį autentifikavimo procesą, kuris gali būti pasitelkiamas norint apsikeisti raktais neprarandant bendro saugumo.
Kvantinės kriptografijos technologija turi sutelkti savo dėmesį į kvantinį informacijos perdavimą, jei ji taps žymiai saugesnė nei esamos kriptografijos technologijos.
Komercinio pobūdžio kvantinio skaičiavimo iššūkiai
Nors kvantinė kriptografija, regis, žada, kad kvantinio perdavimo problemos gali būti išspręstos, S. Kakas abejoja, ar tas pat galiotų ir kvantiniam skaičiavimui apskritai. Klaidų taisymas, kuris yra būtinas daugiafunkciniam kompiuteriui, yra toks didžiulis iššūkis kvantiniams kompiuteriams, kad informatikas abejoja, jog jie kada nors bus kuriami komerciniu mastu.