Kas tie kvantiniai kompiuteriai ir kodėl visi apie juos kalba
Jei sekate technologijų naujienas, tikriausiai pastebėjote, kad pastaraisiais metais vis dažniau pasigirsta apie kvantinius kompiuterius. Google skelbia apie „kvantinę viršenybę”, IBM leidžia eksperimentuoti su kvantiniais procesoriais debesyje, o startuoliai renka milijonus investicijoms į šią technologiją. Bet kas iš tikrųjų yra tie kvantiniai kompiuteriai ir ar tikrai turėtume tikėtis revoliucijos?
Paprastai tariant, kvantiniai kompiuteriai – tai fundamentaliai kitokios architektūros mašinos, kurios skaičiavimams naudoja kvantinės mechanikos principus. Skirtingai nei įprastų kompiuterių bitai, kurie gali būti arba 0, arba 1, kvantiniai bitai (kubitai) gali būti abiejose būsenose vienu metu. Tai vadinama superpozicija, ir būtent čia slypi jų potenciali galia.
Dar vienas svarbus kvantinės mechanikos principas – susipynimas. Kubitai gali būti tarpusavyje susiję taip, kad vieno kubito būsena priklauso nuo kito, net jei jie fiziškai atskirti. Tai leidžia kvantiniams kompiuteriams apdoroti informaciją būdais, kurie klasikiniams kompiuteriams tiesiog neįmanomi.
Kur kvantiniai kompiuteriai tikrai galėtų pakeisti žaidimo taisykles
Nepradėkime nuo to, kad kvantiniai kompiuteriai pakeis jūsų nešiojamąjį ar padės greičiau naršyti internete – taip nebus. Jų stiprybė slypi visai kitose srityse, kur klasikiniai kompiuteriai tiesiog užstringa.
Kriptografija ir saugumas – čia prasideda ir didžiausios viltys, ir didžiausios baimės. Šiuolaikinė internetinė kriptografija remiasi tuo, kad didelių skaičių faktorizavimas užima neįtikėtinai daug laiko net galingiausiems superkompiuteriams. Kvantinis kompiuteris su Shoro algoritmu galėtų tai padaryti per kelias minutes. Tai reiškia, kad dabartinė RSA šifravimo sistema taptų bevertė.
Tačiau yra ir gera žinia – kvantinė kriptografija gali sukurti visiškai neįsilaužiamą ryšį. Kinija jau eksperimentuoja su kvantiniu ryšiu tarp palydovų, o kelios šalys investuoja į kvantinių komunikacijų tinklus.
Vaistų kūrimas ir molekulinė simuliacija – čia kvantiniai kompiuteriai galėtų duoti realią naudą gana greitai. Molekulės elgiasi pagal kvantinės mechanikos dėsnius, todėl jų simuliavimas klasikiniuose kompiuteriuose yra neįtikėtinai sudėtingas. Kvantinis kompiuteris galėtų modeliuoti naujų vaistų molekules, prognozuoti jų sąveiką su organizmu ir gerokai pagreitinti farmacijos pramonės procesus.
Optimizavimo problemos – logistika, finansų portfelių valdymas, oro prognozės, dirbtinio intelekto mokymas. Visos šios sritys sprendžia sudėtingas optimizavimo problemas, kur reikia išnagrinėti milžinišką galimų sprendimų erdvę. Kvantiniai kompiuteriai teoriškai galėtų tai daryti eksponentiškai greičiau.
Kodėl dar negalime nusipirkti kvantinio kompiuterio
Skamba įspūdingai, tiesa? Bet štai problema – praktiškai veikiantys kvantiniai kompiuteriai vis dar yra labai ankstyvoje vystymosi stadijoje. Ir kliūčių yra ne viena.
Pirmiausia, kubitai yra neįtikėtinai trapūs. Bet kokia aplinkos įtaka – temperatūros svyravimas, elektromagnetinės bangos, netgi kosminis spinduliavimas – gali sukelti dekoherenciją ir sugadinti skaičiavimus. Todėl dabartiniai kvantiniai kompiuteriai turi būti aušinami beveik iki absoliutaus nulio temperatūros (apie -273°C) ir izoliuoti nuo bet kokių išorinių trukdžių.
Antra problema – klaidų korekcija. Klasikiniuose kompiuteriuose tai gana paprasta, bet kvantiniuose sistemose klaidų korekcija reikalauja daugybės papildomų kubitų. Dabartinės sistemos turi dešimtis ar šimtus kubitų, bet patikimam kvantiniam kompiuteriui gali prireikti milijonų.
Trečia – programavimas. Kvantiniai algoritmai reikalauja visiškai kitokio mąstymo būdo. Negalite tiesiog paimti Python kodo ir paleisti jo kvantiniame kompiuteryje. Reikia kurti visiškai naujus algoritmus, ir ne kiekvienai problemai kvantinis sprendimas bus geresnis už klasikinį.
Kas vyksta pramonėje dabar
Nepaisant iššūkių, investicijos į kvantinius kompiuterius auga kaip ant mielių. IBM turi savo „Quantum Network” programą, kur įmonės gali eksperimentuoti su kvantiniais procesoriais per debesį. Google 2019 metais paskelbė apie „kvantinę viršenybę” – jų kvantinis procesorius atliko skaičiavimą, kuriam klasikiniam superkompiuteriui prireiktų tūkstančių metų.
Tiesa, vėliau IBM ginčijo šį teiginį, sakydami, kad klasikinis superkompiuteris galėtų tą patį padaryti per kelias dienas su tinkamu algoritmu. Bet tai tik parodo, kokioje ankstyvoje stadijoje esame – net ekspertai nesutaria dėl pagrindinių dalykų.
Microsoft investuoja į topologinius kvantinius kompiuterius – kitokią architektūrą, kuri teoriškai turėtų būti atsparesnė klaidoms. Amazon siūlo „Braket” platformą, kur galite eksperimentuoti su skirtingų gamintojų kvantiniais procesoriais. Kinija investuoja milijardus į kvantines technologijas kaip strateginį prioritetą.
Startuolių scena taip pat gyva. Rigetti, IonQ, PsiQuantum ir dešimtys kitų įmonių kuria skirtingas kvantinių kompiuterių versijas, naudodamos skirtingas technologijas – nuo superlaidiųjų grandynų iki įkalintų jonų.
Ką tai reiškia IT specialistams
Jei dirbate IT srityje, turbūt kyla klausimas – ar turėčiau mokytis kvantinio programavimo? Ar mano dabartinės žinios taps nereikalingos?
Trumpas atsakymas – ne, bent jau artimiausiu metu. Kvantiniai kompiuteriai nepakeis klasikinių, jie juos papildys. Galite galvoti apie juos kaip apie GPU – specializuotus procesorius, kurie tam tikroms užduotims yra daug geresni nei CPU, bet ne viską gali daryti.
Tačiau jei esate smalsus ir norite būti priekyje, yra keletas dalykų, kuriuos galite daryti:
Išmokite pagrindų. Nereikia tapti kvantinės mechanikos ekspertu, bet supratimas, kas yra superpozicija, susipynimas ir kvantiniai vartai, padės. IBM ir Microsoft siūlo nemokamus įvadinius kursus.
Eksperimentuokite su simuliatoriais. Galite programuoti kvantinius algoritmus naudodami tokias platformas kaip IBM Qiskit ar Microsoft Q#. Nors tai simuliatoriai, jie leidžia suprasti, kaip veikia kvantinis programavimas.
Sekite naujausias tendencijas, bet būkite skeptiški. Kvantinių kompiuterių srityje daug hype’o ir perdėtų pažadų. Mokykitės atskirti realius pasiekimus nuo rinkodaros triukšmo.
Realūs taikymo atvejai, kurie jau veikia
Nors pilnai veikiantys, universalūs kvantiniai kompiuteriai dar toli, kai kurios įmonės jau eksperimentuoja su praktiniais taikymais.
Volkswagen bando optimizuoti eismo srautus Lisabonoje naudodami kvantinius algoritmus. Jie modeliuoja tūkstančių automobilių judėjimą ir bando rasti optimaliausius maršrutus, kad sumažintų spūstis.
JP Morgan ir kitos finansų institucijos eksperimentuoja su kvantiniais algoritmais portfelių optimizavimui ir rizikos valdymui. Kol kas tai daugiau tyrimai nei praktiniai sprendimai, bet jie investuoja rimtai.
Airbus naudoja kvantinius kompiuterius lėktuvų dizaino optimizavimui – modeliuoja oro srautus aplink sparnus ir bando rasti efektyviausias formas.
Farmacijos kompanijos, tokios kaip Roche ir Biogen, bendradarbiauja su kvantinių kompiuterių įmonėmis, kad pagreitintų vaistų kūrimą. Kol kas tai ankstyvos stadijos tyrimai, bet potencialas yra didžiulis.
Ar tikėtis revoliucijos ar evoliucijos
Grįžkime prie pradinio klausimo – ar kvantiniai kompiuteriai pakeis IT industriją? Atsakymas yra sudėtingesnis nei taip ar ne.
Jie tikrai nepakeis IT industrijos taip, kaip tai padarė personaliniai kompiuteriai ar internetas. Neturėsite kvantinio kompiuterio ant darbo stalo, ir jūsų išmanusis telefonas netaps kvantinis. Bet tam tikrose srityse – kriptografijoje, optimizavime, molekulinėje simuliacijoje, dirbtinio intelekto mokyme – jie gali sukelti tikrą revoliuciją.
Realybė greičiausiai bus kažkur per vidurį. Kvantiniai kompiuteriai taps specializuotais įrankiais, prieinamais per debesis kompiutiją, kuriuos naudos tam tikros pramonės šakos konkretiems uždaviniams spręsti. Tai bus evoliucija, ne revoliucija – svarbi, bet ne viską keičianti.
Artimiausiais 5-10 metų tikėkitės matyti vis daugiau praktinių taikymų, bet vis dar su apribojimais. Tikroji kvantinių kompiuterių era prasidės tada, kai išspręsime klaidų korekcijos problemą ir galėsime kurti stabilius, plečiamus kvantinius procesorius su tūkstančiais ar milijonais kubitų.
Tuo tarpu, jei dirbate IT srityje, verta sekti šią sritį, bet nereikia skubėti perkvalifikuotis į kvantinį programuotoją. Klasikiniai kompiuteriai ir tradicinis programavimas išliks pagrindas dar ilgai. Kvantiniai kompiuteriai papildys, o ne pakeis tai, ką jau turime. Ir galbūt būtent šis hibridinis požiūris – klasikinių ir kvantinių sistemų derinys – ir bus tikroji ateitis.
