Pavisam nesen Latvijas Universitātes Datorikas fakultātes profesors Andris Ambainis – līdz šim visjaunākais akadēmiķis LZA vēsturē – saņēma Eiropas pētniecības padomes (European Research Council) grantu. Pirmo reizi prestižo finansējumu ieguvis pārstāvis no Latvijas. Andris Ambainis, kas pašlaik visas pasaules mērogā jau atzīts kā viens no vadošajiem pētniekiem savā nozarē, sadarbojoties gan ar speciālistiem no Latvijas, gan ārzemju zinātnieku grupām, veiks globālas nozīmes pētījumus kvantu datoru jomā. Pašreizējā pētījuma mērķis ir novērtēt kvantu ierīču izmantošanas robežas un priekšrocības.
Automatizēta domāšana
Kvantu dators pamatā ir ierīce, kas no ierastajiem datoriem atšķiras galvenokārt ar informācijas apstrādes un glabāšanas veidu – tā balstās kvantu mehānikā. Kvantu fizika apraksta fizikas likumus atsevišķu atomu un daļiņu līmenī, un šie likumi būtiski atšķiras no klasiskās fizikas likumiem.
Kvantu datorā informācijas pamatvienība ir kubits, kas (atšķirībā no ierastā bita) ļauj vienlaicīgi apstrādāt daudz lielāku vērtību skaitu nekā „parastajiem” datoriem. Kvantu datora uzbūvēšana ir viens no mūsdienu zinātnes lielākajiem izaicinājumiem.
Šobrīd profesors A. Ambainis pēta, ko ar kvantu datoriem iespējams izrēķināt. „Šai tēmai ir dažādi aspekti, piemēram, pēdējo gadu laikā strādājām pie algoritma, ar kuru risināt lineārus vienādojumus. Esam strādājuši pie loģikas formulu risināšanas uz kvantu datora. Vēl viens saistīts jautājums, pie kā esam strādājuši, ir kvantu datoru robežas, respektīvi, kādas ir tās problēmas, ko kvantu datori nevar atrisināt, cik liels ir paātrinājums, ko dod kvantu dators, salīdzinot ar normālajiem datoriem.”
Līdz šim veiktie pētījumi vainagojušies ar nozīmīgiem atklājumiem un ļauj attīstīt tālākos meklējumus, taču, lai padziļināti iepazītu kvantu ierīču īpašības, tiek izveidotas arvien jaunas pieejas. „Ļoti nozīmīga metode, ko esam izstrādājuši, kvantu datoru konstruēšanai balstās uz mācīšanās grafiem. Tās pamatā ir mūsu doktoranta Aleksandra Belova nopelns. Mācīšanās grafs ir struktūra, ar kuras palīdzību iespējams aprakstīt informāciju. Ar to var izveidot kvantu algoritmu. Turklāt, salīdzinot ar citām pieejām kvantu algoritmu izstrādei, šī pieeja ir tīri intuitīva. Viena no galvenajām problēmām kvantu algoritmiem ir tā, ka kvantu skaitļošana ir kaut kas pilnīgi atšķirīgs no tradicionālās skaitļošanas, tādēļ ir ļoti grūti izveidot kvantu algoritmus. Taču līdz ar mācīšanās grafu vesela kaudze tehnisku soļu tiek automatizēta un par tiem nav katru reizi jādomā,” stāsta Andris Ambainis.
Kvantu dators nojauc robežas starp zinātnēm
Mūsdienu pētniecībā (gan eksaktajās, gan arī humanitārajās zinātnēs) aizvien būtiskāka kļuvusi sadarbība starp dažādām nozarēm. Latvijas Universitātes pētnieki cītīgi strādā, lai veidotu simbiozi starp dažādām disciplīnām. ”Manos pētījumos aktuālas kļūst (un nākotnē kļūs vēl aktuālāk) kvantu skaitļošanas saiknes ar citām zinātnes nozarēm. Parādās interesanti veidi, kā kvantu skaitļošanas idejas var pielietot, lai risinātu kaut ko pavisam citā zinātnes nozarē. Gan risināmais uzdevums, gan risinājums pilnībā ietilpst tradicionālajā skaitļošanā – pats kvantu dators tur nav vajadzīgs, bet matemātiskās idejas nāk tieši no kvantu skaitļošanas. Man šķiet, ka šāda ietekme kļūst aizvien redzamāka. To varētu saukt par jauno attīstības tendenci,” vēstī Andris Ambainis.
Datorzinātnes, matemātikas un fizikas apvienošana ļaus pētniekiem atklāt ne tikai jaunus apvāršņus kvantu datoru potenciālā, bet arī apzināt iespējamos riskus, kas saistīti ar datu drošību. Viens no praktiskajiem ieguvumiem līdz ar kvantu datora attīstību ir kvantu efektu izmantošana, lai būvētu drošākas šifrēšanas sistēmas. Piemēram, kaimiņvalstī Igaunijā aktīvi darbojas plaša zinātniskā grupa kriptogrāfijā jeb šifrēšanas zinātnē. Taču viena no lielākajām cerībām ir, ka kļūs iespējams daudz ātrāk risināt sarežģītas matemātiskās problēmas algebrā un skaitļu teorijā. Latvijas zinātniskā grupa ir viena no vadošajām kvantu skaitļošanas teorijā – daudzi pētnieki pasaulē izmanto un attīsta Latvijā izstrādātās metodes. Zinātnieki no Kembridžas, no Parīzes, NEC firmas laboratorijās Prinstonā un no Singapūras kopā un paralēli ar latviešu zinātniekiem veic tik svarīgo zinātnisko darbu. „Pašreiz pētnieku grupa Austrijā ir nonākusi pie datora ar 14 kubitu lielu kvantu atmiņu. Turpinās mēģinājumi pabīdīt robežu aizvien tālāk un tālāk,” atzīst Andris Ambainis.
Kontrole pār strāvu un lādiņu elementārdaļiņu līmenī
Kopā ar profesoru A. Ambaini kvantu ierīču iespējas pēta Latvijas un pasaules zinātnē ne mazāk nozīmīgs zinātnieks – Vjačeslavs Kaščejevs. Kaščejeva nozare ir tieši saistīta ar nanoelektroniku. „Manā pētnieciskajā praksē no praktiskā viedokļa jāņemt vērā kvantu koherence un kvantu sapinuma efekts, kas ir kvantu datoru funkcionēšanas pamatā,” stāsta Kaščejevs.
Nesen Vjačeslavs Kaščejevs, līdzdarbojoties ar kolēģiem no Latvijas Universitātes, izstrādājis jaunu kvantu interferences pielietojumu nanoelektronikā. Jāpiezīmē, ka nanoelektronika ir viena no Eiropas Savienības un pasaules zinātnes prioritātēm. Pašreiz pētnieks strādā pie jauna projekta. „Izdevies pierādīt, ka viena regulāra kļuvusi nanotehnoloģijas ierīce – dinamiskais kvantu punkts – ļauj ar zināmu garantiju kontrolēt divus elektronus, kuri ir kvantiski saistīti. Tā saucamā kvantu saistība uz pieprasījuma ir viens no ļoti atraktīvajiem soļiem pretim kvantu skaitļošanas elektroniskai realizācijai, kam līdz šim piedāvātās iespējas bijušas ierobežotas. Pretstatā tradicionālajai pieejai, kas izmanto supravadāmību, mēs atradām veidu, kā šo sasaisti panākt pusvadītāja nanotranzistorā,” tā V. Kaščejevs.
Šāds atklājums pierāda to, ka drīzumā kvantu skaitļošana varēs norisināties praktiski un plašākā mērogā. „Nākamais solis (un pašreizējais šīs zinātnes nozares mērķis) ir panākt pietiekami pilnvērtīgu kontroli pār strāvu un lādiņu elementārdaļiņu līmenī. Elektrostatiska elementārdaļiņu manipulācija, izmantojot to lādiņu un iekšējo rotāciju jeb spinu. Un tieši dinamiskie kvantu punkti ir tas, kas pēdējos gados devis būtisku izrāvienu,” piebilst V. Kaščejevs.
V. Kaščejeva pētījumu tuvākais praktiskais mērķis ir fundamentālu kvantu robežu ierobežota elektronu skaitīšana. „Pietiekami ātra un maksimāli precīza skaitīšana ļautu ģenerēt strāvu, kas balstītos uz fundamentālajiem lielumiem, līdz ar to aizstātu esošos strāvas etalonus. To varētu saukt par pārdefinēšanu caur elektronu lādiņu frekvenci,” skaidro pētnieks.
Kvantu dators būs!
Minētie kvantu datoru pētījumi norit ciešā sadarbībā gan ar Latvijas zinātniekiem, gan laboratorijām Vācijā un Lielbritānijā un teorētiķu grupu Zviedrijā. Turklāt nupat esot sagatavots jauns apjomīgs projekts, kurā Latvijas zinātniekiem būs jāizstrādā teorētiskā bāze, bet eksperimentālo pusi jānodrošina pētniekiem-eksperimentatoriem no Francijas.
Pateicoties kubita spējai atrasties superpozīcijā (t. i. – atbilst vairākām vērtībām vienlaicīgi), ir zināms, ka ar laiku kvantu datori veiks aprēķinus ievērojami ātrāk par klasiskajiem datoriem. Salīdzinājumam – to, ko klasiskajam datoram atrisināt prasītu gadi, kvantu dators paveiks sekundēs. Tas nozīmē ārkārtīgi strauju attīstību informācijas drošības jautājumos un kriptoanalīzē.
Lai arī ir grūti paredzēt, kad tieši tiks radīts pietiekami spēcīgs kvantu dators, ir skaidrs, ka tas varētu notikt tuvākajās desmitgadēs. Latvijas Universitātes zinātnieku pētījumi šo brīdi tuvina. Jāatgādina, ka pirmie kvantu datori, lai arī ar salīdzinoši zemu kubitu skaitu, jau ir izgatavoti. Zinot, ka ikviens mazākais solis ir būtisks ceļā uz attīstību un pasaules izpratni, jāatzīst, ka Latvijas Universitātes pētnieki pārliecinoši soļo pretim jauniem sasniegumiem.
