Krip­to­va­liu­tų „juo­do­ji gul­bė“? Net du ne­pri­klau­so­mi kvan­ti­niai kom­piu­te­riai pa­sie­kė pro­ver­žio slenks­tį – ką rei­kia ži­no­ti apie juos ir ko­dėl tai taip svar­bu.

Penkiolika – tai trys kart penki. 2012 metų rugpjūtį šis skaičiavimas tapo karšta mokslo naujiena. Tada skaičiaus 15 išskaidymas į dauginamuosius buvo daugiausiai, ką galėjo atlikti kvantinis kompiuteris, revoliucinė skaičiavimo mašina, kuri veikia, vadovaudamasi visiškai kitokiais principais, nei visi mūsų kompiuteriai, išmanieji telefonai ir netgi išskaidytojo skaičiavimo mazgai duomenų centruose.

Nuo to laiko kai kas pasikeitė. Lapkričio gale mokslo žurnale Nature dvi konkuruojančios JAV mokslininkų grupės tuo pačiu metu publikavo labaipanašūs straipsniai. Taip nutinka, kai prognozuojamas didelis atradimas ir savaite vėlesnis publikavimas reikštų pralaimėjimą. Konkurentai nepriklausomai vienas nuo kito sukonstravo sistemas iš 51 ir 53 kubitų, galinčias spręsti savo, gana siauros specializacijos matematinės fizikos užduotis. Ir dabar apie abu tyrimus rašo (su išlygomis), kad mokslininkai prisigretino prie ribos, už kurios prasideda „kvantinis pranašumas“: kvantiniai kompiuteriai geba – ar, veikiau, tuoj tuoj gebės – kai ką tokio, kas tradiciniams superkompiuteriams nepasiekiama.

„Mokslo bendruomenėje tai vertinama kaip labai labai esminis žingsnis pirmyn“, – patvirtina fizikos teoretikas Aleksejus Fiodorovas iš Rusijos kvantinio centro. Kai šių metų pavasarį konferencijoje apie didžiuosius duomenis ir mokslą jis skaitė lekciją „Kvantinis kompiuteris: didelis žaidimas iš paaukštinimo, kur sakė, kad „kvantinis pranašumas“ – artimos ateities reikalas, iki Naturepublikacijos buvo likę keli mėnesiai.

Kodėl tokie pokalbiai tapo įmanomi būtent dabar? Atrodytų, juk Kanados firma D-Wave savo kvantinius kompiuterius gamina jau nuo 2007 metų, tarp jos klientų – Google ir NASA. Už $15 mln galima įsigyti naujausią sistemos versiją, transformatorinę primenantį solidų 3m×3m×3mjuodą kubą. Ir jame net 2000 kubitų – kodėl tada keliamas toks triukšmas dėl eksperimentų su 51 ir 53 kubitais? Republic paprašė A. Fiodorovo paaiškinti, kas ir kaip.

Kaip veikia kvantinis kompiuteris?

Įprastuose kompiuteriuose minimalus informacijos vienetas yra bitas: nulis arba vienetas, herbas ar pinigas. Kvantiniuose kompiuteriuose kvantiniai ir bitai (jie dar vadinami kubitais, quantum bit). Jam sugalvota daug analogijų: tai ir Schrödingerio katinas, kuris tuo pačiu metu ir gyvas ir miręs, ir moneta, tuo pačiu metu nukrentanti ir herbu ir skaičiumi į viršų. Įprastesne fizikams kalba, kubite yra grynųjų kvantinių padėčių mišinys. O mišinių būna kuo įvairiausių. Dvi trečiosios „herbo“ ir trečdalis „skaičiaus“ yra viena, o padėčių mišinys lygiomis dalimis – visiškai kas kita. Variantų skaičius be galo didelis, ne vien paprasčiausi „yra – nėra“, vienetas ar nulis.

Intrigas kursto ir kvantinio susietumo reiškinys. Tarkime, yra dvi kvantinės dalelės skirtinguose Visatos kraštuose, tačiau tai, kas nutiks su pirma, darys įtaką antrai, nepaisant jas skiriančio atstumo. Kubitų būsenas galima „susieti“ – ir tada prasideda pats įdomumas.

Kas yra kubitas realybėje? Tai abstrakti idėja, kurią galima įgyvendinti įvairiausiai, kaip ir paprastų bitų atveju (tarkime, šeštajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje įprastų kompiuterių operatyvioji atmintis buvo daroma iš magnetinių žiedų, suvertų ant vielučių: vienas žiedas – vienas bitas; septintojo dešimtmečio elektroniniuose kalkuliatoriuose naudota akustinė atmintis; dabar viskas, savaime suprantama, įgyvendinama kitaip).

Pati žinomiausia kubitų realizacija (ją naudoja D-Wave kompanija) – mažos superlaidžios mikroschemos, kurias reikia aušinti skystu heliu. Nature aprašytas 53 kubitų kompiuteris, kurį sukūrė Christofferio Monroe vadovaujama grupė iš Marylando universiteto – atskiri jonizuoti atomai, laikomi magnetiniu lauku. O jų konkurentai iš Harvardo, vadovaujami Mikhailo Lukino, ultrašaltus atomus valdė „optiniu pincetu“: kaip gaudyklė panaudoti lazerio spinduliai. Visais atvejais mokslininkai turi pasiekti temperatūrą, nuo absoliutaus nulio besiskiriančią vos šimtosiomis ar net tūkstantosiomis kelvino dalimis: D-Wave svetainėje rašoma, kad jų kubitai „180 kartų šaltesni už tarpžvaigždinę erdvę“.

„Kol kas mokslo bendruomenėje nėra vieningo sutarimo, kokia platforma bus pranašesnė. Todėl dabar ir superlaidininkai, ir atomai, ir jonai yra, galima sakyti, vienoje technologinėje stadijoje, – sako A. Fiodorovas.

Kas geriau ⁠– 51 kubitas ar 2000 kubitų?

iPhone’ą lyginti su kompiuteriu, naudotu Mėnulyje nusileidusios „Apollon -11“ misijos kosminiame laive (ir aifono skaičiavimo galia didesnė) – korektiška. Nors jų paskirtis ne ta pati, tačiau iš principo jie gali spręsti tokias pačias matematines užduotis: dauginti skaičius, skaičiuoti sinusus ir kosinusus ar pasiekti lygiąsias kryžiukų ir nuliukų žaidime. Šia prasme abu jie – universalūs kompiuteriai. O kvantinių kompiuterių reikalai kitokie. Visi sėkmingi naujienose nušviečiami pavyzdžiai pritaikyti savai siaurai užduočiai. Pavyzdžiui, D-Wave su savo 2000 kubitų sugeba atlikti „kvantinį atkaitinimą“. Tai reiškia, kad kvantiniams bitams suteikiama pradinė būseną ir jie perkeliami į gudriai sukonfigūruotą elektromagnetinį lauką, o paskui leidžiama sugrįžti į pusiausvirą būseną („atvėsti“) ir žiūrima, kokia ta pusiausvyra. Tai tinka įvairių sudėtingų užduočių minimumo paieškoms – pavyzdžiui, ieškant naudingiausių maršrutų ir teorijoje sprendžiant kokias nors krovinių gabenimo problemas. Tačiau nulaužinėti šifrų tokiu būdu nepavyks. Kompiuteriai, apie kuriuos lapkritį rašė Nature, buvo „kvantiniai simuliatoriai“ – jie imitavo kitą fizikus dominantį kvantinį procesą: kietų kūnų dalelių sukinių sąveiką. Tačiau Fiodorovas tikina, kad nepaisant savo siauros specializacijos, kvantiniai kompiuteriai su ultrašaltais atomais daug perspektyvesni už D-Wave naudojamus. „Jis turi potencialą tapti universaliu“, – sako fizikas. Mat 51 kubito kompiuteryje atskirų kubitų elgseną įvairiuose skaičiavimo etapuose galima valdyti, o ne tiesiog laukti, kol jie visi kolektyviai susitars dėl pusiausvyros.

Kam kvantiniai kompiuteriai reikalingi?

Labiausiai išreklamuotas kvantinių kompiuterių gebėjimas – šifrų nulaužimas. Visa šiuolaikinė kriptografija grindžiama tikėjimu (netgi klasikiniams kompiuteriams ši hipotezė nėra įrodyta), kad kai kurios matematinės užduotys gali būti išsprendžiamos tik patikrinant visus galimus variantus, o visų variantų patikrinimas – labai ilgas procesas. Vienas iš pavyzdžių yra didelių skaičių skaidymas dauginamaisiais – faktorizavimas: tuo paremtas RSA algoritmas. Šis algoritmas – arba panašūs – naudojami ir apsaugotuose Telegram pokalbiuose ir atliekant transakcijas su kriptovaliutomis.

Todėl 2012 metų rugpjūtį kvantiniam kompiuteriui ne atsitiktinai nurodyta išskaidyti 15 į 5 ir 3 – tai buvo galimybių demonstravimas, kurios įgaus praktinę prasmę, kai kvantiniai kompiuteriai ūgtels. „Naudojant užtektinai daug kubitų ir pakankamai greitai vykdant kiekvieną kvantinę operaciją, 1024 bitų ilgio RSA rakto parinkimas kvantiniu kompiuteriu užtruktų maždaug 10 valandų. O tos pačios užduoties atlikimas klasikiniu kompiuteriu – milijonus metų“, – sako Fiodorovas. Dar 1994 metais, kai nieko panašaus į kvantinius kompiuterius nebuvo nė vienoje laboratorijoje, amerikietis matematikas Peteris Shoras sugalvojo savo garsųjį kvantinį algoritmą, kurį naudojant, galima apsieiti be milijardus metų trunkančio nuoseklaus skaičių parinkimo: kvantinė sistema tam tikra prasme „mato“ visus galimus daugiklius tuo pačiu metu ir netinkamus kandidatus atmeta.

Ir ką tai reiškia? Konkrečiai – populiarių dabartinių kriptovaliutų pabaigą. „Labai supaprastinus ir atmetus visas detales, blokų grandinę sudaro dvi svarbios kriptografijos technologijos. Pirmoji – elektroniniai skaitmeniniai parašai: transakcijas būtina kažkaip pasirašyti. Ir daugumoje esančių blokų grandinių infrastruktūrų pasirašoma būtent taip, naudojant, pavyzdžiui, RSA arba elipsinių kreivių algoritmą, kurį, turint pakankamai galingą kvantinį kompiuterį, bus galima nulaužti, naudojant Shoro algoritmą, – paaiškino Fiodorovas. – Antroji technologija – kriptografinės maišos funkcijos. Šiuo atveju viskas sudėtingiau, bet ir čia kvantiniai kompiuteriai šiek tiek keičia žaidimo taisykles“.

Ar tai reiškia, kad visi kvantiniai tyrimai vykdomi, siekiant palikti pasaulį be kriptografijos? „Visi supranta: negana pasakyti „mes dabar jį sukursime ir jis viską sugriaus“. Niekas nesiekia sukurti atominės bombos, – sako mokslininkas. – Omenyje reikia turėti gražias užduotis, kurias galima gerai išspręsti“.

„Gražios idėjos“ pavyzdys – kvantinė chemija, molekulių modeliavimas. Pavyzdžiui, vaistų molekulių. Jeigu kokius nors mūsų ląstelių receptorius jo atitiks kaip raktas spyną, vaistai veiks tiksliai ir efektyviai. Kaip sužinoti, kokia molekulė iš miljonų įmanomų tinka geriausiai? Galima Petri lėkštelėse atlikti milijoną cheminių eksperimentų su ląstelių kultūromis, tačiau toks būdas ilgas ir brangus. Vaistų molekulių dizaino kūrimui kompiuteriu (CADD, computer-aided drug design) kvantinė mechanika itin tinka. O vienas kvantines sistemas (tai yra molekules) geriausia imituoti kitomis (t.y. kubitais) – nuo šios Nobelio premijos laureato R. Feynmano idėjos, išsakytos 1982 mtais, ir prasidėjo kvantinių kompiuterių istorija.

Kada kvantiniai kompiuteriai atsiras pas eilinius žmones ir kiek jie kainuos?

Nuo 2017 metų sausio, kvantinio kompiuterio modelį D-Wave 2000Q galima oficialiai įsigyti už $15 mln. Jei koks nors tyrėjas staiga nutartų tapti D-Wave konkurentu ir tiražuoti laboratorinį kvantinį kompiuterį, vargu ar atsirastų nors vienas smarkiai pigesnis už milijoną. Bent jau todėl, kad didelę prietaiso dalį turėtų sudaryti skysto helio kriogeninis įtaisas, o jų nei kompaktiškų, nei pigių nebūna.

Ar tai reiškia, kad naminių kvantinių kompiuterių nesulauksime? „Veikiausiai daug greičiau tapsime kvantinių kompiuterių naudotojais, nes jie bus prieinami per debesų kompiuteriją. Ir tai daug naudingiau, nei statytis kvantinį kompiuterį namuose ir dar diegti visą infrastruktūrą. Štai, turite Macbook Air, ir jums to gana. O jeigu reikia atlikti kokius nors skaičiavimus, tiesiog prisijungiate prie tarnybos, o ne perkate GPU“, – sako Fiodorovas, omenyje turėdamas dabar populiarią skaičiavimų atlikimo vaizdo plokštėmis idėją (GPU – „grafinis procesorius“, ir galingiausi iš jų, griežtai tariant, netgi nėra vaizdo plokštės). Didžiųjų duomenų specialistai tokiais procesoriais apmoko neurotinklus, ir dažnai naudingiau apmokėti kelias paras prieigos prie Amazon ar Google serverio su GPU, nei už $3000 pirkti galingiausią vaizdo plokštę mašininiam mokymuisi.

Kas ir kur tyrinėja kvantinius kompiuterius?

Spalį Kinijos kompanija Alibaba kvantinius kompiuterius pavadino savo 15 milijardų dolerių investicijos į mokslą programos vienu iš punktų. Google uždirba iš paieškų internete, Microsoft – parduodama programinę biuro įrangą, o IBM – iš verslo analitikos, tačiau visose šiose korporacijose yra savos mokslininkų komandos, užsiimančios kvantinių skaičiavimų tyrimais.

Kiek pasaulyje tokių grupių iš viso – nežinia. A. Fiodorovas mano, kad jų negalėtų būti daugiau, nei keli šimtai. Palyginimui, vėžį tyrinėjančių mokslinių grupių yra dešimtys tūkstančių – tai yra, kvantų specialistų šimtus, jei ne tūkstančius kartų mažiau, nei molekulinės biologijos.

Tarp užsiimančių kvantinės fizikos pritaikymu yra ir startuolių – ir jų yra dešimtys, sako Fiodorovas. „Kai kas siūlo savo programavimo kalbas būsimiems kvantiniams kompiuteriams, kai kas rašo jiems programinę įrangą, kai kas tiesiog sako: aš startuolis, aš žinau, kaip kurti kvantinius kompiuterius, duokite man pinigų ir konstruosiu juos pats, ir jokių Microsoft ir IBM nereikia“.

Būna ir radikalesnių idėjų. „Tęsiant blokų grandinių temą, šioje sferoje yra startuolis The Quantum Resistant Ledger. Jie siūlė kurti blokų grandines ir kriptovaliutas, remiantis postkvantiniais algoritmais, apsaugotais nuo įsilaužimo kvantiniais kompiuteriais. Ir iškėlė idėją, kad kvantinis kompiuteris – savotiška juodoji gulbė, kurią kažkas galbūt jau turi ir tiesiog dabar pernelyg neisiskelbdami iššifruoja visus duomenis“, – pasakoja Fiodorovas ir iškart paaiškina, kodėl pats jis nėra tokių sąmokslo teorijų šalininkas. Yra kvantinė kriptografija, kuria galima apsisaugoti nuo kvantinio kompiuterio ir yra postkvantinė: viena remiasi ryšio kanalais, kuriuose nesugadinus pranešimų, jų perimti neįmanoma, o kita – naujais matematiniais algoritmais. Fiodorovo grupė šiais metais pati, siekdama patikrinti hipotezę, sukūrė ryšio kanalą tarp dvejų banko skyrių. Todėl jis įsitikinęs, kad bandymai slapta kurti kvantinius kompiuterius vien svetimo susirašinėjimo skaitymui vestų į akligatvį. „Manau, po trijų keturių metų atsiras kvantinių komunikacijų tinklai, ir kurti didelį universalų kvantinį kompiuterį tik tam, kad būtų galima kažką iššifruoti, taps nebenaudinga“.