Dirbtinis intelektas (specialus pranešimas) --- Kaip veikia kvantinė kompiuterija: ir kaip ji galėtų pagreitinti – ir sutrikdyti – milijardų dolerių vertės pramonės šakas

“„Microsoft“, „International Business Machines“, „Alphabet“ priklausanti „Google“ ir daugybė kitų technologijų įmonių lenktyniauja, siekdamos pakeisti skaičiavimo prigimtį.

JAV šios įmonės per pastaruosius kelerius metus kartu išleido šimtus milijonų, kad sukurtų naujo tipo kompiuterį – kvantinį kompiuterį, kuris, remdamasis kvantinės fizikos principais, spręstų problemas, gerokai pranokstančias šiandieninių geriausių superkompiuterių galimybes.

 

Ir įmonės teigia, kad galėtų tai padaryti per ateinančius dvejus–penkerius metus.

 

Kai bus pasiektas šis taškas, kai kurioms problemoms, kurioms išspręsti tradicinis kompiuteris užtruktų daugiau, nei trilijonus metų, kvantinis kompiuteris gali užtrukti vos kelias minutes, pakeisdamas įprastą veiklą pramonės šakose, susijusiose su finansine prekyba, laivybos logistika, farmacija, moksliniais atradimais, duomenų šifravimu, draudimu, interneto pristatymu ir kitomis.

 

Tačiau sukurti pakankamai didelį kvantinį kompiuterį, kad būtų galima atlikti prasmingus skaičiavimus, yra sudėtingiau, nei tiesiog sudėti toną kubitų ant lusto.

 

Kubitai gali būti itin jautrūs pokyčiams jų išorinėje aplinkoje, kuri sutrikdo jų superpozicinę būseną [1] ir įveda klaidų skaičiavimuose. Taigi įmonės turi ne tik padidinti turimų kubitų skaičių, bet ir užtikrinti, kad tai daro taip, jog tie kubitai vis tiek elgtųsi tinkamai.

 

Tikrasis kvantinių kompiuterių problemų mastas apimtų šimtus tūkstančių kintamųjų, o ne dešimtis.

 

Kvantiniai kompiuteriai galėtų būti greitesni už tradicinius kompiuterius optimizavimo uždaviniuose, tokiuose, kaip tiekimo grandinių analizė, modeliavimo uždaviniuose, tokiuose, kaip naujų cheminių derinių vaistams atradimas, mašininis mokymasis ir faktorizavimas.

 

Šios dvi paskutinės kategorijos galėtų sustiprinti dirbtinį intelektą ir galėtų iššifruoti dabartinę šifravimo technologiją, todėl bankams ir kitoms institucijoms reikėtų kurti naujus šifravimo metodus.

 

Kuo kvantiniai bitai skiriasi nuo tradicinių bitų

 

Tradiciniai kompiuteriai naudoja elektronines grandines informacijai bitais saugoti. Bitai yra skaitmeniniai 1 ir 0, fiziškai matuojami pagal elektros tekėjimo per grandines buvimą ir nebuvimą. Jie yra, kaip jungikliai, ir viskas, ką daro tradicinis kompiuteris, juos naudoja.

 

Vietoj to kvantiniai kompiuteriai naudoja kvantinius bitus arba „kubitus“. Dauguma kubitų yra subatominės dalelės, tokios, kaip elektronai, kurios lazeriais arba mikrobangų spinduliais sujungiamos į „superpoziciją“. Superpozicijoje kubitai vienu metu egzistuoja daugelyje būsenų: 1, 0 ir visose reikšmėse tarp šių dviejų. Kai kubitas išmatuojamas, jis pašalinamas iš superpozicijos ir užfiksuojama jo reikšmė nuo 1 iki 0, kuri žymi tikimybę.

 

Kubitai yra pagrindinis kvantinio kompiuterio komponentas. Kvantinio kompiuterio luste gali būti dešimtys ar šimtai kubitų. Pridėjus kiekvieną kubitą prie lusto, lustas tampa eksponentiškai galingesnis, nes kubitai gali bendrauti tarpusavyje, informuodami vienas kitą apie savo būseną. Šiame procese, vadinamame „susiejimu“, kubitai dalijasi tikimybių skaičiavimo našta, o tai lemia greitesnį, netiesinį skaičiavimą.

 

Kodėl jis veikia greičiau, nei tradiciniai kompiuteriai

 

Kvantiniai kompiuteriai bus daug greitesni ir galingesni, atliekant daugelį skaičiavimo užduočių. Viena iš jų – optimizavimo problemos. Įsivaizduokite, kad laivybos logistikos įmonė turi rasti efektyviausią maršrutą, atsižvelgiant į trejopos kilmės ir trejopos paskirties vietos. Tradiciniai kompiuteriai sprendžia tokio tipo problemas, bandydami kiekvieną derinį iš eilės, kol randa geriausią.

 

Tačiau kvantinis kompiuteris – dėl susietų kubitų gebėjimo apskaičiuoti daug tikimybių vienu metu – gali įvertinti visas parinktis vienu metu. Dabar įsivaizduokite, kad jis būtų padidintas. Jei būtų 10 kilmės ir 10 paskirties vietų, būtų 100 unikalių variantų. Tradicinis kompiuteris vis tiek turi išbandyti kiekvieną derinį iš eilės, o pakankamai galingas kvantinis kompiuteris gali įvertinti visas parinktis vienu metu.

 

Kaip naudojami kompiuteriai

 

Šie kompiuteriai jau naudojami nedideliu mastu finansų įstaigų ir kitų įmonių, kurios ruošiasi tam, kaip vieną dieną jos naudos galingesnes versijas.

 

Dėl kubitų trapumo jiems reikia daug aparatinės įrangos, kad jie veiktų.

 

Dešimtmečius dideli technologijų žaidėjai ir startuoliai lenktyniavo, kurdami prasmingus didelio masto kvantinius kompiuterius, kurie, jų teigimu, galėtų pakeisti pasaulį, dažnai vadinamus „viso masto, klaidų taisymo, gedimams atspariais“ įrenginiais.

 

Pastaraisiais metais jie atliko demonstracijas, išleido mažesnio masto mašinas, su kuriomis klientai galėtų eksperimentuoti, ir davė pažadų dėl ateities terminų.

 

„Google“ demonstravo pažangą klaidų taisymo srityje savo 105 kubitų „Willow“ luste, o iš „Microsoft“ gautas pranešimas, kad ji tiesiogine prasme išrado naują materijos būseną savo kubitams, ir iš „International Business Machines“ gautas pažadas iki 2029 m. pristatyti pilnavertį kompiuterį.

 

Kelios grynai kvantinių technologijų įmonės, įskaitant „PsiQuantum“, „Quantinuum“ ir „IonQ“ teigia, kad galės pristatyti šiuos pilno masto kompiuterius per vienerius–ketverius metus.

 

Nors šie pranešimai sukėlė ažiotažą, jie taip pat paskatino skepticizmą. Žinoma, sunku lyginti įmones, iš dalies dėl to, kad daugelis jų taikosi į skirtingus kvantinių kompiuterių tipus arba modalumus. Tai reiškia, kad jos naudoja skirtingų tipų medžiagas (nuo elektros grandinių iki atomų, jonų ir net fotonų) kaip kubitus, todėl praktiškai neįmanoma nuspręsti, kas laimi kvantines lenktynes.

 

Tarp visų skirtingų modalumų „yra visas zoologijos sodas“, pagal kurį galima nustatyti, kuris kompiuteris yra geriausias, sakė Jerry Chow, IBM kvantinio centro superkompiuterių vyriausiasis technologijų vadovas.

 

Įmonės gali susitarti, kad daroma pažanga, ir kvantiniai kompiuteriai gali būti artimesni, nei daugelis mano.

 

„Per pastaruosius kelerius metus buvo pasiekta nemažai išties svarbių etapų, kurių skeptikai sakė, kad per savo gyvenimą nepamatysiu“, – sakė Pete'as Shadboltas, „PsiQuantum“ įkūrėjas ir vyriausiasis mokslo pareigūnas. „Vis dar reikia daug nuveikti, kad tai taptų komercine technologija, bet mes artėjame prie tikslo ir ši medžiaga iš tikrųjų veikia taip, kaip turėtų veikti.“

 

 

---

 

 

Peteris Champelli ir Isabelle Bousquette yra „Wall Street Journal“ žurnalistai Niujorke. Rašykite jiems el. paštu peter.champelli@wsj.com ir isabelle.bousquette@wsj.com.“ [2]

 

 

1. „Superpozicijos būsenoje esantis kubitas egzistuoja, kaip abiejų bazinių būsenų tikimybinis derinys:

 

 

|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩.   [3]

 

 

Šioje lygtyje α (alfa) ir β (beta) yra kompleksiniai skaičiai, vadinami tikimybių amplitudėmis. Užuot buvęs dviejose vietose vienu metu, kubitas užima vieną tašką sudėtingoje matematinėje erdvėje.

 

„Daugialypis“ atsiranda tik tada, kai matuojame kubitą: stebėjimo veiksmas sukelia būsenos kolapsą, todėl gaunamas 0 su tikimybe |α|2 arba 1 su tikimybe |β|2.

 

Tai leidžia kvantiniams algoritmams atlikti skaičiavimus naudojant šias amplitudes, sukuriant interferencijos formą – panašiai, kaip naudojant persidengiančias bangas – siekiant sustiprinti teisingus atsakymus ir panaikinti neteisingus.

 

Tai suteikia galimybę eksponentiniam pagreitėjimui, kad spręsti konkrečias problemas, pavyzdžiui, skaidant didelius sveikuosius skaičius faktorizvime (Šoro algoritmas). Tačiau ši būsena yra itin trapi. Dekoherencija, kurią sukelia sąveika su išorine aplinka, verčia kubitą per anksti „pasirinkti“ klasikinę būseną. Šios trapios pusiausvyros apsauga, taikant klaidų taisymą išlieka pagrindiniu iššūkiu, kuriant veikiantį kvantinį kompiuterį.

 

Dažnas klaidingas supratimas yra tas, kad abi būsenos egzistuoja vienu metu fizine prasme, tarsi kubitas būtų klonuotas arba padalintas į dvi savo versijas. Iš tikrųjų kubitas visada yra vienoje, apibrėžtoje kvantinėje būsenoje. „Superpozicija tiesiog reiškia, kad ši būsena neatitinka mūsų klasikinių „arba/arba“ kategorijų, kol sąveika su aplinka (matavimas) nepriverčia jos pasirinkti pusės.“

 

2. Artificial Intelligence (A Special Report) --- How Quantum Computing Works: And how it could supercharge -- and disrupt -- billion-dollar industries. Champelli, Peter; Bousquette, Isabelle.  Wall Street Journal, Eastern edition; New York, N.Y.. 23 Mar 2026: R6.

 

3. Kvantinėje mechanikoje α|0⟩ žymi kvantinę būseną, kurioje kubitas yra bazinėje būsenoje |0⟩ (dažnai žyminti „pagrindinę būseną“ arba dvejetainį 0), padaugintą iš kompleksinio skaičiaus koeficiento α. Jis apibrėžia būsenos |0⟩ amplitudę, kuri yra susijusi su kubito matavimo, kaip 0 tikimybe. Nors α|0⟩ žymi būsenos dalį, pilna, normalizuota kubito būsena paprastai apima kitą komponentą: |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩.

 

Kvantiniuose skaičiavimuose β|1⟩ žymi antrąją kubito kvantinės būsenos superpozicijos dalį, konkrečiai „1“ būsenos komponentą. β (beta) yra kompleksinė tikimybės amplitudė (svoris), susijusi su bazine būsena |1⟩, kur kubito matavimo, kaip „1“, tikimybė yra |β| kvadratas.