ტექნოლოგიების სფეროს განხილვისას ბოლო ათწლეულია აქცენტი ძირითადად ხელოვნურ ინტელექტზე კეთდება. ცოტა თუ საუბრობს იმ განხრაზე, რომელსაც AI-ს დაჩრდილვის უზარმაზარი პოტენციალი აქვს. ეს კვანტური გამოთვლებია. იგი კომპიუტერის სუბატომური ფიზიკის კანონებით შექმნას გულისხმობს — კანონებით, რომლებიც ერთი შეხედვით ადამიანურ ინტუიციას ეწინააღმდეგება.

კვანტური კომპიუტერი ისეთი სიმძლავრის გამოთვლებს გვპირდება, რომლებსაც დღესდღეობით "დაუჰაკავად" მიჩნეული დაშიფვრის გატეხა წამებში შეუძლია. ეს ყველაფერი არ არის. იგივე ტექნიკამ შეიძლება ახალი მედიკამენტების განვითარებაც დააჩქაროს, ინდუსტრიული ემისიები მნიშვნელოვნად შეამციროს და გლობალური ფინანსური სისტემა გარდაქმნას. როგორ შეუძლია ერთ ტექნოლოგიას საბანკო ანგარიშებს შეუქმნას საფრთხე და ამავდროულად კიბო განკურნოს? ამის გასაგებად უმჯობესია კვანტური გამოთვლების ინოვაციურობის არსი — ბიტების კუბიტებით ჩანაცვლება — ავხსნათ.

განსხვავება ტრადიციულ და კვანტურ კომპიუტერს შორის

ტრადიციული კომპიუტერი მილიარდობით ტრანზისტორისგან — მიკროსკოპული ზომის გადამრთველისგან — შედგება. ეს ტრანზისტორები მონაცემებს ბიტებად ინახავს და ამუშავებს. ბიტს 2 შესაძლო ურთიერთგამომრიცხავი მნიშვნელობა აქვს:

• 0 — როცა ტრანზისტორი გამორთულია და მასში დენი არ გადის.
• 1 — როცა ტრანზისტორი ჩართულია და მასში დენი გადის.

კვანტური გამოთვლები კი კვანტურ ფიზიკაზეა დაფუძნებული და არა ჩვეულებრივ ელექტრონიკაზე. კვანტური პროცესორები ბიტების ნაცვლად კუბიტებს იყენებს. ინფორმაციის ამ ერთეულის გენიალურობა იმაშია, რომ ის შეიძლება ორივე მდგომარეობაში იყოს — 0 და 1 ერთდროულად. ეს კვანტური სუპერპოზიციის პრინციპზეა დაფუძნებული.

კვანტური სუპერპოზიცია ფენომენია, რომელიც ერთი ნაწილაკის ერთდროულად სხვადასხვა ადგილას ან სხვადასხვა მდგომარეობაში ყოფნას გულისხმობს მანამ, სანამ ამ ნაწილაკს არ დავაკვირდებით.

ასეთ კომპიუტერს კი შეუძლია, რომ მრავალი გამოთვლა ერთდროულად შეასრულოს. ეს ძალიან ხელსაყრელია ისეთ დარგებში, როგორებიც, მაგალითად, კიბერუსაფრთხოება ან ბიოტექნოლოგიებია.

როცა ორი ან მეტი კუბიტი ერთმანეთში იხლართება, სისტემას რიცხვების უამრავი კომბინაციის პარალელურ რეჟიმში დამუშავება შეუძლია. მესამე კუბიტიც რომ დაემატოს, 4-ის ნაცვლად უკვე 8 მდგომარეობის შესწავლა იქნება შესაძლებელი. თუ მეოთხე კუბიტი დაემატება, 16 მდგომარეობამდე ავალთ და ა.შ. ეს ისეთ გამოთვლით შესაძლებლობებს ქმნის, რომლებიც დღესდღეობით არსებულ ყველაზე სწრაფ სუპერკომპიუტერებსაც კი უკან ჩამოიტოვებს.

ასევე იხილეთ: Google-ის კვანტურმა კომპიუტერმა წამებში შეძლო ის, რისთვისაც სუპერკომპიუტერს 47 წელი დასჭირდებოდა

ამისდა მიუხედავად, სუსტი მხარე კვანტურ კომპიუტერებსაც აქვს. კუბიტის წაკითხვის პროცესი თავადვე იწვევს სუპერპოზიციის ჩამოშლას. ამიტომ ყველა კვანტური ოპერაცია მანამ უნდა დასრულდეს, სანამ სუპერპოზიცია განსაზღვრულ მდგომარეობამდე (მხოლოდ 0 ან მხოლოდ 1) დავა. მთავარი გამოწვევა კუბიტების სტაბილურობის იმდენი ხნით შენარჩუნებაა, რომ საქმის შესრულება მოესწროს.

ოთხი გზა კუბიტებამდე

მკვლევართა სხვადასხვა ჯგუფი ამ გამოწვევას განსხვავებულად უდგება.

• ზეგამტარული მარყუჟები — ალუმინის ან ნიობიუმის პატარა წრედები, რომლებსაც დილუციურ მაცივრებში აბსოლუტურ ნულთან მიახლოებულ ტემპერატურაზე აცივებენ. ექსტრემალური სიცივე ელექტრულ წინაღობას ხსნის, შედეგად კი მარყუჟი კონტროლირებად კვანტურ "ატომად" გადაიქცევა. ისეთი ჩიპები, როგორებიცაა Google-ის Sycamore და IBM-ის Eagle, სწორედ ამ მოდელით მუშაობს. ისინი ასობით კუბიტს უკვე შეიცავს, მაგრამ ამ ყველაფრისთვის აუცილებელი მაცივრები დიდია, ბევრ ენერგიას საჭიროებს და ჯერჯერობით მხოლოდ რამდენიმე ათას კუბიტზე ვრცელდება.
• ჩაკეტილი იონური ჩიპები ექსტრემალურად დაბალ ტემპერატურას ვაკუუმით ანაცვლებს. კალციუმის, იტერბიუმისა და ტერბიუმის დამუხტული ატომები ელექტრომაგნიტურ "ხაფანგში" აჰყავთ, სადაც მათზე ლაზერული იმპულსებით მოქმედებენ. ეს ატომები ერთმანეთისგან იზოლირებულად მოძრაობს, ამიტომ ისინი სტაბილურობას რამდენიმე წუთის განმავლობაში ინარჩუნებს. ეს ბევრად მეტია, ვიდრე მილიწამის შუალედები, რომლებსაც ზეგამტარული მოწყობილობები გვთავაზობს.
• ნეიტრალური ატომური მასივები კომპლექსურ ლინზებში ოპტიკურ "პინცეტებს" ანათებს, რათა ნეიტრალური ატომები ერთ ადგილზე შეაკავოს. ეს მიდგომა როგორც შედარებით ხანგრძლივ სტაბილურობას, ასევე შთამბეჭდავ მასშტაბურობას გვთავაზობს. ლინზის სისტემას ათასობით ატომის შეკავება შეუძლია. მეორე მხრივ, ლოგიკური ვენტილები უფრო ნელა მუშაობს, ვიდრე ზეგამტარულ წრედებში. ასევე, ყველა ატომის მდგომარეობის კონტროლს ძალიან ბევრი გამოთვლითი რესურსი მიაქვს.
• ფოტონური კუბიტები კვანტურ ინფორმაციას ცალკეული სინათლის ნაწილაკებით გამოხატავს, მაგალითად, პოლარიზაციით ან ტალღის სიგრძეებით. ფოტონები გარემოსთან თითქმის არ ურთიერთქმედებს. სწორედ ეს ხდის ამ ნაწილაკებს კვანტური ქსელების შორ მანძილებზე მუშაობისა და უშეცდომო მეხსიერების მხრივ იდეალურს. ამისდა მიუხედავად, ფოტონების ძლიერ ურთიერთქმედებებში შეყვანა ძალიან რთულია. ლოგიკური ვენტილების სწრაფად მუშაობას კი სწორედ ასეთი ურთიერთქმედებები სჭირდება. მეორე მხრივ, ინტეგრირებული ფოტონური ჩიპების განვითარებაში ბოლოდროინდელი გარღვევები ამ პრობლემას, სავარაუდოდ, მალე აღმოფხვრის.

აქილევსის ქუსლი: დეკოჰერენცია და ლოგიკური კუბიტების აღზევება

ზემოთ ჩამოთვლილი ოთხივე პლატფორმა საერთო მტერს — დეკოჰერენციას — ებრძვის. სითბო, ვიბრაცია, მოხეტიალე მაგნიტური ველები: კუბიტის სუპერპოზიციის მდგომარეობიდან გამოყვანა ერთ კოსმოსურ სხივსაც კი შეუძლია. კვანტური შეცდომის კორექტირება (QEC) ამ პრობლემას მრავალი ფიზიკური კუბიტის ერთ ლოგიკურ კუბიტად გაერთიანებით აგვარებს. სისტემა საკუთარ თავში ხშირად გამეორებულ შეცდომებს ეძებს — მაგალითად, შემთხვევით 0-ის შეცვლას 1-ად. თანაც ამას ისე ახერხებს, რომ სენსიტიურ მონაცემებს პირდაპირ არ ეხება.

ფიზიკური კუბიტი აპარატურული ერთეულია (მაგალითად, ატომი ან წრედი). ლოგიკური კუბიტი კი რამდენიმე ფიზიკური კუბიტის გაერთიანებით მიღებული ინფორმაციის ერთეულია, რომელიც უფრო სანდო და შეცდომებისადმი მედეგია.

კლასიკური კომპიუტერი შეცდომების გასასწორებლად მცირე რესურსს ხარჯავს, კვანტური შეცდომების გასწორება კი ბევრად ძვირი ჯდება. საწყის არქიტექტურებს თუ დავეყრდნობით, თითოეულ სანდო ლოგიკურ კუბიტს შეიძლება ასობით ან ათასობით ფიზიკური კუბიტი დასჭირდეს. მიუხედავად ამისა, მიღებული სიზუსტე მნიშვნელოვნად იზრდება: QEC-ის გავლის შემდეგ კუბიტები სხვადასხვა ოპერაციას გაცილებით მეტხანს უძლებს. ეს შეცდომებისადმი უფრო მედეგი კვანტური კომპიუტერების შექმნის პოტენციალს იძლევა, რომლებზეც რამდენიმე მიკროწამის ნაცვლად ალგორითმები მთელი დღე იქნება გაშვებული.

ალგორითმები, რომლებმაც ახალი წესები შექმნა

კომპიუტერული აპარატურა ამ ისტორიის მხოლოდ ნახევარია. კვანტური უპირატესობა მაშინ იჩენს თავს, როცა გონივრული ალგორითმები სუპერპოზიციისა და გადახლართულობის პრინციპებს სწორად იყენებს:

• შორის ალგორითმი დიდ რიცხვებს მამრავლებად ექსპონენციურად უფრო სწრაფად შლის, ვიდრე კლასიკური მეთოდები. ეს კი იმას ნიშნავს, რომ მილიონკუბიტიანი, QEC-გავლილი მანქანის ონლაინ ჩაშვების შემთხვევაში თანამედროვე RSA დაშიფვრის გატეხა რამდენიმე წუთში იქნება შესაძლებელი.
• გროვერის ალგორითმი არასტრუქტურირებულ მონაცემებში ძებნას მნიშვნელოვნად აჩქარებს. ამოცანას, რომელსაც ჩვეულებრივ N-რაოდენობის ნაბიჯი სჭირდება, გროვერის ალგორითმი √N-რაოდენობის ნაბიჯშიც ასრულებს.
• დოიჩ-იოჟას ალგორითმი ერთი ბრძანებით წყვეტს, ფუნქციის გამომავალი მნიშვნელობა დაბალანსებულია თუ მუდმივი. ეს კვანტური პარალელიზმის შესანიშნავი მაგალითია.

მრავალი სხვა ჰიბრიდული და ვარიაციული ალგორითმიც გვხვდება, მაგრამ ეკონომიკურად ტრანსფორმაციულ შედეგებამდე გზა უპირველეს ყოვლისა მძლავრ და შეცდომებისადმი მედეგ აპარატურაზე გადის.

ასევე იხილეთ: ჩინელმა ჰაკერებმა კოდირებული ინფორმაციის გასაშიფრად კვანტური კომპიუტერები გამოიყენეს

რეალური გავლენა: მედიცინა, კლიმატი და ფინანსები

რატომ გვიღირს ამდენი სირთულის დაძლევა? — კვანტურ კომპიუტერს შესანიშნავად გამოსდის კვანტური ფენომენის სიმულირება. ეს კი ყველაფერს უდევს საფუძვლად — დაწყებული ქიმიიდან დამთავრებული მაღალი ენერგიების ფიზიკამდე.

პენიცილინის მოლეკულური ორბიტალის მოდელირება ჩვეულებრივი კომპიუტერით რომ ვცადოთ, იმაზე მეტი კლასიკური ბიტი დაგვჭირდება, ვიდრე ატომია სამყაროში. ქიმიური მასშტაბის კვანტური პროცესორისთვის კი ეს უმარტივესი ამოცანა იქნებოდა. ფარმაცევტული კომპანიები და სტარტაპები იმედოვნებს, რომ კვანტური პრეპარატების დიზაინის სისტემები ერთ დღესაც ისეთი დაავადებების განკურნების საშუალებას მოგვცემს, როგორებიც, მაგალითად, სიმსივნე, ალცჰაიმერი და ანტიბიოტიკებისადმი რეზისტენტობაა.

მსგავს პოტენციალს კლიმატის მკვლევრებიც ხედავენ. აზოტის დამაკავშირებელმა კატალიზატორებმა შეიძლება სასუქის წარმოების დეკარბონიზაციას — ეს პროცესი დღესდღეობით გლობალური CO₂-ის 2%-ს გამოყოფს — შეუწყოს ხელი. კვანტურმა სიმულაციებმა შეიძლება ნახშირბადის დამჭერი მემბრანებისთვის შედარებით იაფი მასალები გამოავლინოს. ასევე, თერმობირთვული რეაქციის პლაზმის უფრო სტაბილური ვერსიებიც გვაპოვნინოს.

კვანტურ გამოთვლებს მნიშვნელოვანი გამოყენება ფინანსურ სექტორშიც მოეძებნება. 50-კუბიტიან სიმულატორებზე გაშვებულმა პროტოტიპულმა ალგორითმებმა კომპლექსური წარმოებული ფინანსური ინსტრუმენტების ფასის გამოთვლა და საკრედიტო რისკის პორტფელების ოპტიმიზაცია დამაკმაყოფილებელი სიზუსტით მოახერხეს. ისეთ კომპანიებს, როგორებიცაა, JPMorgan Chase, Goldman Sachs და Deutsche Bank, კვანტურ გამოთვლებზე მომუშავე გუნდები ჰყავთ. ისინი ფიქრობენ, რომ რამდენიმე ასეული საშუალო-სიზუსტის მქონე კუბიტმაც კი შეიძლება აქტივების განაწილებასა და თაღლითობის გამოვლენაში მათ უპირატესობა მიანიჭოს — ჯერ კიდევ მანამ, სანამ მილიონ-კუბიტიანი კომპიუტერები რეალობად იქცევა.

ასევე იხილეთ: შემდეგი პოდკასტი: კვანტური კომპიუტერები — ახალი ეპოქა

კვანტური ეპოქის დაცვა

კვანტური შესაძლებლობების ბნელი მხარე გატეხილი შიფრია — დაშიფრული ტექსტი, რომლის დაცვის მეთოდიც კომპრომეტირებულია. საბედნიეროდ, ამ პრობლემიდან გამოსავალს თავად კვანტური მექანიკა გვთავაზობს: ანტიდოტი კვანტური გასაღების გადანაწილებაა (QKD). ამ მეთოდით დაშიფვრის გასაღებები ერთეული ფოტონების პოლარიზაციაში იკოდება. ეს კი იმას ნიშნავს, რომ ნებისმიერი მიყურადების მცდელობა კვანტურ მდგომარეობას დაარღვევს და მომენტალურად გააფრთხილებს როგორც გამგზავნს, ისე მიმღებს.

სატესტო ქსელებმა კვლევითი ლაბორატორიები აშშ-ში, ჩინეთსა და ევროპაში ოპტიკურ-ბოჭკოვანი კავშირით უკვე შეაერთა, ხოლო სატელიტურმა ექსპერიმენტებმა კვანტური გასაღების გადანაწილება (QKD) კოსმოსიდან დედამიწაზე — ათასობით კილომეტრზე — აჩვენა. ამავე დროს, კლასიკური კიბერუსაფრთხოების ექსპერტები პოსტ-კვანტურ ალგორითმებს ავითარებენ. ისინი როგორც ტრადიციული, ასევე კვანტური თავდასხმების წინააღმდეგ საბრძოლველადაა შექმნილი.

მომავალი, რომელიც იმაზე ახლოსაა, ვიდრე გვგონია

Google-ის ჩიპი Willow, Microsoft-ის Majorana-ზე დაფუძნებული პროტოტიპები, IBM-ის 127-კუბიტიანი Eagle და ფოტონური, იონური ან ნეიტრალურ ატომებზე დაფუძნებული სტარტაპების მზარდი რიცხვი სფეროს დაჩქარებულ განვითარებას ცხადად წარმოაჩენს. ლეგენდარული მილიონ-კუბიტიანი ზღვარი ჯერ არცერთს გადაულახავს, მაგრამ პროგრესი უკვე კლასიკური კომპიუტერების საწყის ეტაპებს ჰგავს: 1940-იანი წლების ოთახის ზომის მანქანები სამუშაო მაგიდაზე მოთავსებად კომპიუტერებად ოთხი ათწლეულში გადაიქცა.

კვანტური განვითარების რუკამ შეიძლება ამ პროცესის დაჩქარება მოახერხოს — განსაკუთრებით იმ შემთხვევაში, თუ მოდულური არქიტექტურები და კვანტური ქსელური კავშირები პატარა პროცესორებს დიდ ვირტუალურ მანქანებად გააერთიანებს.

შედეგად კი მრავალმხრივ პლატფორმას მივიღებთ, რომელიც საზოგადოების მოლოდინებს ბევრად გადააჭარბებს. შეცდომის გასწორების გაუმჯობესებული უნარებითა და მოწესრიგებული კიბერუსაფრთხოებით, კვანტურმა კომპიუტერებმა შეიძლება წამლის მოქმედების მექანიზმები დახვეწოს, ემისიები შეამციროს, ლოგისტიკა გააუმჯობესოს — თანაც ისე, რომ ჩვენი მონაცემებიც დაცული დარჩეს. უყურადღებოდ დატოვების შემთხვევაში კი, მან შეიძლება ციფრული სამყაროს კრიპტოგრაფიულ საძირკველს საფრთხე შეუქმნას.

ასევე იხილეთ: ექსპერტები "კვანტური აპოკალიფსის" შესახებ გვაფრთხილებენ — რას ნიშნავს ეს

ნებისმიერ შემთხვევაში, კვანტური ერა ჰიპოთეტური აღარ არის — ის უკვე დაწყებულია. მისი საბოლოოდ დამკვიდრებით გამოიცდება, თუ რამდენად სწრაფად შეძლებენ მთავრობები, კომპანიები და მეცნიერები ლაბორატორიული მიღწევების პასუხისმგებლიან ინსტრუმენტებად გადაქცევას. ერთ თაობაში კომპიუტერებმა ვაკუუმური მილებიდან სილიციუმზე გადაინაცვლა; სილიციუმიდან კუბიტებზე გადასვლა კი შეიძლება კიდევ უფრო სწრაფადაც კი მოხდეს.

ახლა ყველაზე გონივრული ნაბიჯი საფრთხეებისა და შესაძლებლობების გააზრება და შესაბამისად მომზადებაა, რადგან, შესაძლოა, შემდეგი ათწლეულის ყველაზე მნიშვნელოვანი გამოთვლები უკვე იქ ხდებოდეს, სადაც 0 და 1 ერთდროულად ჭეშმარიტია მანამ, სანამ არ დააკვირდები.