2025-ieji oficialiai paskelbti Tarptautiniais kvantiniais metais. Valstybės į šią technologiją jau dabar investuoja milijardus eurų. Europos tikslas – 2025-aisiais turėti pirmąjį superkompiuterį su kvantiniu pagreičiu, o iki 2030-ųjų – pirmauti kvantinių pajėgumų srityje. Lietuva taip pat ruošiasi: jau pristatytos Lietuvos kvantinių technologijų gairės – planas, kaip ši technologija bus vystoma mūsų šalyje. Lietuva taip pat pasirašė Europos deklaraciją dėl kvantinių technologijų, taip įsipareigodama kurti pasaulinio lygio kvantinių technologijų ekosistemą.

Ar kvantiniai kompiuteriai jau nebėra vien mokslinė fantastika? Apie tai ateities tendencijų konferencijoje Lietuvos mokslo tarybos (LMT) inicijuotame pranešime „Kvantinis proveržis prieš klasikinę kompiuteriją: kas kurs rytojų?“ kalbės mokslininkai.

Ką siūlo kvantinės technologijos?

Kasdien naudojami kompiuteriai, netgi superkompiuteriai, veikia tuo pačiu principu: skaičiavimai juose atliekami naudojant dvejetainę sistemą, o informacija koduojama dvi reikšmes – 0 arba 1 – turinčiais bitais. Kvantiniame kompiuteryje naudojami ne bitai, o kvantiniai bitai arba kubitai. Kubitai dėl kvantinės savybės, vadinamos superpozicija, gali būti ne tik 0 ar 1 būsenose, bet ir jų kvantinėje kombinacijoje (superpozicijoje), tai yra – vienu metu ir 0, ir 1 būsenoje.

Vyrauja nuomonė, jog kvantiniai kompiuteriai veikia tik laboratorijose, jiems būtinos ekstremalios sąlygos, o jų patikimumas kelia daug klausimų. Kai kurie mokslininkai dar skeptiškesni – yra įsitikinę, jog sukurti tikrojo kvantinio kompiuterio neįmanoma, nes tai prieštarautų fundamentaliems skaičiavimo teorijos principams.

Sukurti veikiantį, patikimą ir pakankamai galingą kvantinį kompiuterį – vienas didžiausių šių laikų mokslo ir inžinerijos iššūkių. Kvantiniai kompiuteriai jau egzistuoja, tačiau jų kūrimas vis dar yra ankstyvoje stadijoje.

Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto mokslo darbuotoja ir dėstytoja, Fizinių ir technologijos mokslų centro fizikė bei Lietuvos fizikų draugijos viceprezidentė dr. Mažena Mackoit-Sinkevičienė paaiškino, jog kvantiniai kompiuteriai greitu metu tikrai nepakeis įprastų nešiojamųjų kompiuterių, bet ateityje suteiks galimybę spręsti problemas, kurios įprastiems kompiuteriams, net ir superkompiuteriams, neįveikiamos.

Kokias visuomenei aktualias problemas ši technologija galėtų padėti išspręsti? „Kalbame apie naujų vaistų kūrimą modeliuojant molekules atominiame lygmenyje, apie medžiagų su visiškai naujomis savybėmis atradimą, apie optimizavimo uždavinius, kurie šiandien atrodo neįmanomi“, – sakė dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

Vilniaus universiteto Duomenų mokslo ir skaitmeninių technologijų instituto Blokų grandinių ir kvantinių technologijų grupės vyriausiasis mokslo darbuotojas, profesorius, grupės vadovas prof. dr. Remigijus Paulavičius pateikė kofeino molekulės pavyzdį: norint tiksliai sumodeliuoti visas kofeino molekulės energijų konfigūracijas – tai yra, kaip kiekvienas elektronas joje juda ir sąveikauja su kitais, klasikiniam kompiuteriui prireiktų apdoroti maždaug 10⁴⁸ bitų informacijos – ši užduotis jam neįmanoma. Tačiau, remiantis

skaičiavimais, vos 160 tarpusavyje susietų ir superpozicijoje veikiančių kvantinių bitų-kubitų – teoriškai galėtų talpinti ir apdoroti visą šią milžinišką informaciją.

„Šie, iš pažiūros, neįmanomi iššūkiai geriausiai atskleidžia kvantinės kompiuterijos galią. Kvantinė chemija, medžiagų mokslas – sritys, kur kvantiniai kompiuteriai gali sukelti tikrą perversmą. Pavyzdžiui, ateityje mes galėsime ne tik spėlioti, kaip veikia molekulės, bet ir tiksliai jas „sukurti“ bei ištirti kompiuteryje dar prieš žengdami į laboratoriją. Naujų vaistų kūrimas, unikalių savybių turinčių medžiagų projektavimas galėtų vykti virtualioje erdvėje – be ilgų ir brangių bandymų laboratorijose. Tai galėtų sutrumpinti, pavyzdžiui, naujų vaistų kūrimo laiką nuo dešimtmečių iki mėnesių ar net savaičių“, – kalbėjo dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

Gali ne tik padėti, bet ir pakenkti?

Dar viena ypač aktuali sritis – interneto saugumas, bankinės operacijos, saugus elektroninis paštas ir daugybė kitų dalykų, kurie remiasi viešojo rakto kriptografija, pavyzdžiui, RSA algoritmu. Šių sistemų saugumas pagrįstas tuo, jog klasikiniams kompiuteriams yra nepaprastai sunku labai didelius skaičius išskaidyti į pirminius daugiklius. Šiai matematinei problemai išspręsti galingiausiems klasikiniams superkompiuteriams prireiktų tūkstančių ar net milijonų metų.

Kaip paaiškino prof. dr. R. Paulavičius, turint pakankamai galingą ir stabilų kvantinį kompiuterį, kvantinis Šoro algoritmas pačius didžiausius skaičius, kurie yra RSA šifravimo pagrindas, galėtų išskaidyti per kelias valandas ar net minutes, o ne per tūkstantmečius. Vadinasi, didžioji dalis šiuo metu naudojamų šifravimo metodų taptų pažeidžiami. „Visi mūsų saugomi duomenys, visa šifruota informacija galėtų būti atskleista. Ši grėsmė yra labai reali, ir pasaulis tam ruošiasi – vis aktualesnė tampa postkvantinė kriptografija (PQC). Tai naujos kartos kriptografiniai algoritmai, kuriami taip, kad būtų atsparūs tiek klasikinių, tiek kvantinių kompiuterių atakoms. Mokslininkai ir kriptografai visame pasaulyje intensyviai dirba kurdami ir standartizuodami tokius algoritmus“, – paaiškino mokslininkas.

Tampa nacionalinio saugumo klausimu

Pavyzdžiui, JAV Nacionalinis standartų ir technologijų institutas (NIST) jau keletą metų

vykdo PQC standartizavimo projektą, į kurį įsitraukė ekspertai iš viso pasaulio, pateikdami ir tikrindami naujus algoritmus.

Lietuvos Krašto apsaugos ministerija taip pat aktyviai domisi postkvantinės kriptografijos sprendimais ir jų diegimo galimybėmis, siekdama ateityje užtikrinti nacionalinį saugumą.

„Vyksta tarsi savotiškos lenktynės – sukurti ir įdiegti naujus, kvantiniams kompiuteriamsatsparius šifravimo standartus, kol galingi kvantiniai kompiuteriai dar netapo plačiai prieinami. Tai – strateginės svarbos uždavinys. Svarbu ne tik sukurti naujus algoritmus, bet ir pradėti planuoti jų integravimą į esamas sistemas, nes šiam procesui gali prireikti didelių programinės ir techninės įrangos atnaujinimų. Kita aktuali grėsmė, kad piktavaliai šifruotus duomenis gali rinkti jau dabar, tikėdamiesi juos iššifruoti ateityje, kai turės prieigą prie galingo kvantinio kompiuterio“, – paaiškino prof. dr. R. Paulavičius.

Jo žodžiais, šiuo metu nėra vienos dominuojančios technologijos, todėl mokslininkai ir inžinieriai visame pasaulyje eksperimentuoja su keliomis skirtingomis kryptimis, o kiekviena jų turi savų privalumų ir trūkumų.

BNS inf.