MĒNEŠA PĒTĪJUMS Aleksandrs Rivošs: „Nav nekā praktiskāka par labu teoriju” – uzsākti eksperimenti ar īstu kvantu datoru

Kvantu datorzinātnes centrs dibināts 2016. gada vasarā, bet pētnieciskā grupa Latvijas Universitātē pastāv daudz ilgāk. Galvenokārt pateicoties profesoram Andrim Ambainim, teorētiķu grupa pasaulē ir atzīta un Aleksandrs aprēķinājis, ka šobrīd vairāk nekā 5% no kvantu datoriem radītajiem algoritmiem tapuši sadarbībā ar kādu no centra bijušajiem vai esošajiem darbiniekiem. Turklāt gaisā virmo pārmaiņu vēsmas, kas atceļojušas no pasaules lielākās kvantu informācijas apstrādes konferences QIP 2018, kur piedalījušies arī tādi giganti kā Microsoft, Google un IBM. LU pētnieki beidzot no teorijas ķērušies pie praktiskās puses, jo parādījusies iespēja pieslēgties pie reāla kvantu datora un noteikt cik precīzi ir iepriekš izvirzītie pieņēmumi.

KVANTU DATORA PIRMIE SOĻI

Uz jautājumu, vai tas ir liels, neglīts kalkulators, Aleksandrs smejoties atbild apstiprinoši: „Turklāt var teikt, ka kvantu dators atrodas milzīgā ledusskapī, jo bez dzesēšanas funkcijas tas nedarbotos. Skanēs neticami, bet kvantu datoru attīstība ir pašā sākuma posmā, parastais dators šobrīd spēj paveikt ievērojami vairāk!” Idejas aizsācējs ir profesors Ričards Feinmans, kurš 1981. gadā paziņoja, ka kvantu fiziku nav iespējams modelēt uz parastā datora. Šis apgalvojums guva plašu rezonansi un doma, ka jābūvē dators, kas darbojas pēc kvantu fizikas likumiem, uzsāka savu attīstību. Ir pagājuši gandrīz 40 gadi un tikai tagad manāmi pirmie reālie soļi, ko sper IT nozares giganti, katrs grib būt pirmais. Pasaulē uzbūvēti vairāki kvantu datori, kas ir mazjaudīgi un pieļauj specifiskas kļūdas, tādēļ svarīgi tās noteikt pēc iespējas ātrāk, kas ir pētījumu mērķis. Teorētiķi veido algoritmus, rūpīgi lasa dokumentāciju un ķidā datorus kā melnās kastes, meklējot vājos punktus. „Ir īstais brīdis iesaistīties spēlē, jo gaidījām vienu, bet redzam ko maķenīt atšķirīgu, tādēļ atrodamies testēšanas režīmā,” par darbu ar publiski pieejamo IBM datoru stāsta Rivošs. Galvenais, ko pētnieki vēlas uzzināt – kas vēl būtu jāņem vērā, veidojot jaunus algoritmus kvantu datoriem. Lai gan to attīstība ir bērnu autiņos, pieslēgšanās kvantu datoram notiek ļoti moderni – caur interneta pārlūkprogrammu. Aleksandrs izskaidro, ka jāievēro rindas kārtība un katram dalībniekam tiek dots zināms laiks programmu palaišanai. Vecākiem kolēģiem tas atgādina laikus, kad dators aizņēma sporta zāles izmēriem pielīdzināmu telpu, bet programmatūra bija jāraksta perfokartēs. Šo iespēju var izmantot ikviens, kam ir zināšanas par kvantu skaitļošanu.

JAUNI IESPĒJU HORIZONTI       

Uzbūvējot pirmo jaudīgo kvantu datoru, tiks atvērtas vairākas durvis uz precīzākām meklēšanas sistēmām un programmu optimizāciju. „Kāpēc mēs Latvijā nebūvējam kvantu datorus? Jo vienkārši nevaram! Nelielām kompānijām tas izmaksā vairāk nekā 20 miljonus eiro, izstrādē jāiesaista cilvēki, kas strādājuši pie lielajiem gigantiem – pie viņiem tikt nav viegli,” spriež Rivošs. Aktuāls arī jautājums vai vispār Eiropai ir vērts mēģināt ielekt šajā vilcienā. Tomēr LU pētnieki ir optimistiski noskaņoti, jo partneru tīkls ir plašs, Eiropā uzņēmumi cenšas noslēgt sadarbības līgumus ar lielajiem pētniecības centriem. Viens no iemesliem kāpēc 90. gados cilvēki sāka investēt naudu arī kvantu skaitļošanā kā teorijā, bijis nepatīkams atklājums – kvantu dators varētu sadalīt skaitļus pirmreizinātājos. Tas ir daudzu šifrēšanas algoritmu pamats, tādēļ pāris valstu slepenie dienesti sākuši ausīties, bet tas tikai sekmējis jomas attīstību. Daudzi joprojām saskata draudus, ka kvantu datori pavērs iespēju kaut ko uzlauzt, bet Aleksandru saista ikdienai pietuvināti uzdevumi – kā uzlabot meklēšanas sistēmas, kas varētu meklēt vienumus nesakārtotās kopās. Tomēr bailes, ka datoru izmantos noziedzīgiem nolūkiem, ir pamatotas, tas ir reāls risks. Šifrēšanas sistēmas jau tagad aizvieto ar tādām, ko potenciāli nevarētu uzlauzt ar kvantu datoru, kaut gan šāda datora vēl īsti nav! Vismaz teorētiskā līmenī ir sākts nodrošināties pret iespējamajām sekām. Pētnieks uzskata, ka būt teorētiskajā pusē ir ļoti aizraujoši, jo teorijas var noderēt gan konstruktīvā, gan destruktīvā aspektā – pateikt, ko nevarēs izdarīt, arī ir vērtīgs pienesums, lai citi netērē laiku neiespējamajam. Kvantu dators noteikti nevarēs izrēķināt to, kas nav izrēķināms. Kā klasisks piemērs minams gadījums, ka viena programma nespēj noteikt vai otra programma jebkad apstāsies, to vienkārši nevar izrēķināt! Tas pats attiecināms arī uz kvantu datoriem. Jaudīgs kvantu dators varēs atrisināt daudzu nozaru problēmas, tas dos iespēju daudz ko optimizēt – būs iespēja ātrāk nonākt līdz jauniem materiāliem, pat zālēm bez eksperimentiem laboratorijās. Nav nejaušība, ka Google un Amazon laužas šajā jomā, viņi redz iespējas uzlabot savus meklēšanas rīkus. Visur, kur nepieciešama liela jauda kaut kā modelēšanai un optimizēšanai, talkā nāks kvantu dators. Interesanti, ka jau tiek veidotas programmēšanas valodas kvantu datoriem, kas vēl ir kalkulatora attīstības fāzē un skaidra redzējuma par to attīstību nav. Šobrīd teorētiķi meklē ar ko vēl kvantu dators varētu būt noderīgs, kad būs pietiekami jaudīgs. „Fiziķi bija radījuši modeli, kā dators varētu izskatīties un mēs bez iespējas reāli kaut ko izmēģināt, strādājām pie teorijas. Beidzot varam izmēģināt idejas, kas radās pat pirms vairākiem gadiem!” ir sajūsmināts Aleksandrs.

REĀLI EKSPERIMENTI AR KVANTU DATORU

Februāra beigās Kvantu datorzinātnes centrā tika uzsākti pirmie pētījumi, mēneša laikā ir veikti jau vairāki tūkstoši eksperimentu – tie gan notiek puslīdz automātiski, turklāt ar atkārtojumiem, lai noteiktu vai rezultāti sakrīt. Tieši tagad, pateicoties uzņēmumu sacensībai, ir beidzies stagnācijas posms un sākusies attīstība. Aleksandrs arī izsaka lielas cerības, ka reiz savām acīm redzēs īstu un pilnvērtīgi funkcionējošu kvantu datoru. „Pārsteidzoši, ka citi pētnieki metušies pārbaudīt sarežģītas programmas. Mēs tam pieejam no otras puses un sākam ar mazām un vienkāršām lietām. Izgatavotāji norāda kāda ir pieļaujamā kļūda, bet mūs interesē ne tikai tās lielums, bet arī tieši kāda tā ir. Ja teorijā atbildes „0” un „1” jāiegūst ar vienādu varbūtību, praksē fizisku apsvērumu dēļ biežāk iegūsim nulli. Šādu piemēru ir daudz,” norāda Aleksandrs. Nav jādomā, ka kvantu dators klaji melo, bet teorētiķus interesē, kā solītais atšķiras no rezultāta, tādā veidā var „atkost” kļūdu specifiku. Dīvainā kārtā kvantu kļūdu labošana ir atsevišķa nozare, kas pastāvēja vēl pirms kvantu datoriem. „Teorētiķi darbojas pirms praktiķiem, jo, būsim godīgi, viss, kas saistīts ar reāliem eksperimentiem, ir dārgs prieks, bet domāt ir relatīvi lēti,” smej Aleksandrs Rivošs. Tā kā šos eksperimentus bija iespējams risināt gluži vienkārši uz tāfeles un arī laist parastajos datoros, teorija strauji gāja uz priekšu. IBM visiem par brīvu ļauj pieslēgties pie sava kvantu datora, lai noskaidrotu kļūdas, jo viņi redz, kādi eksperimenti tiek veikti. Turpretī pētnieki ir gatavi visiem sniegt piekļuvi savu pētījumu rezultātiem. Aleksandrs vien piebilst, kāda ir atklātības cena – tā var ieraudzīt ko nepatīkamu, kas pieklusinātu medijos izskanējušās spekulācijas. „Jāpiebilst, ka mēs jau nezinām vai otrā pusē ir īsts kvantu dators vai parastais dators, kas vienkārši simulē kvantu datoru. Bet tā kā pētījumos neredzam ideālus rezultātus, gribam apgalvot, ka tur ir reāla iekārta, nevaru iedomāties arī iemeslus, kāpēc IBM visiem melotu,” Aleksandrs prāto.

VAI NĀKOTNE RĀDĀS ROŽAINA?

Medijos saceltais troksnis ir radījis interesi par kvantu datoru praktisko pielietojumu arī studentos. Datorikas fakultātē ir izveidoti semināri „Kvantu programmēšanas vides” bakalaura un doktorantūras līmeņa studentiem, vienīgi pirms tam jāapgūst teorētiskie pamati – bez zināšanām datorikā un lineārajā algebrā, darbs ar kvantu datoriem nebūs tik raits. Būtiski minēt, ka vēl pirms Kvantu datorzinātnes centrs uzsāka savu darbību, LU DF maģistrantūras students Mārtiņš Kālis profesora Andra Ambaiņa vadībā strādāja pie kursa darba „Kvantu algoritmu realizācija fiziskā kvantu datorā”, tādēļ Aleksandrs uzaicināja Mārtiņu seminārā pastāstīt par savu pieredzi. “Viņš mēģina praktiski pārbaudīt gadu desmitiem vecas idejas, kas tapušas tepat, Latvijas Universitātē. Mārtiņš testē algoritmus, kuru darbība ir atkarīga no pieejamo kvantu datoru precizitātes. Iespējams, ka šobrīd viņš ir kompetentākais cilvēks Latvijā darbā ar IBM Q kvantu datoru,” stāsta Aleksandrs. Varētu būt, ka kopumā Datorikas fakultātē aptuveni 5% studentu savus pētījumus saista ar kvantu datorzinātni. Kvantu datorzinātnes centra pētnieki vēlas IBM datoru salīdzināt ar citiem, ir noslēgta vienošanās ar mazāk pazīstamu kompāniju, kas ir ar mieru ļaut padarboties ar savu darinājumu. Pirms tam bijusi nopietna iztaujāšana, lai noskaidrotu, ko tieši paredzēts pētīt. Uzņēmums izteicis vēlmi, lai sadarbības rezultātā taptu publikācijas. Sākotnēji jaunais kvantu dators tiks testēts tāpat kā IBM dators, pēc tam veikti eksperimentu atkārtojumi un salīdzinājumi ar citu pētnieku atklājumiem.  Katram ir savs pētāmo lietu saraksts, kas tikai daļēji pārklājas. Un pirmie pētījumu rezultāti gaidāmi jau 2018. gada vasarā, piemēram, par skaitļošanas primitīvu, kas varētu būt iesprausts meklētājā, kas veic informācijas pārlasi. Teorija ļauj fantazēt par nākotni, kā tas būs praksē, ir atkarīgs no iekārtām. Vienīgais risks, kas gaidāms, ja parādīsies kvantu datori – cilvēki pa tiešo uzdos interesējošos jautājumus un kļūs slinki, jo nemēģinās domāt elegantus risinājumus kā šobrīd. Kvantu dators atsevišķos uzdevumos varētu aizstāt superdatorus vai klāsterus, kas izveidoti no daudziem parastajiem datoriem. Tas samazinās izmaksas un enerģijas patēriņu un varētu efektīvi aizstāt daļu iekārtu lielajos skaitļošanas centros. Tomēr vēl kādu laiku kvantu datoru pirmie prototipi būs lēnāki par parastajiem datoriem. Visi uzņēmumi šobrīd ir līdzīgā starta pozīcijā un nav zināms, kāds būs gala rezultāts un kādus uzdevumus varēs risināt. Vien jāpatur prātā, ka atklājums, ka kvantu datoru darbības attīstīšana nav iespējama kāda fiziska ierobežojuma dēļ, arī būtu lielā vērtē. Jau vairākus gadu desmitus dzirdama prognoze, ka tuvāko 20 gadu laikā tiks radīts reāls kvantu dators, pie šī apgalvojuma arī pieturas Aleksandrs, jo pēdējo divu gaidu laikā tiešām redzama izaugsme. Mēs kā teorētiķi esam pieraduši pie savas ideālās pasaules, kur viss ir vienā noteiktā veidā. Tādēļ ir veselīgi ķerties pie praktiskās puses un iebāzt rokas dubļos un atzīt, ka viss nav ideāli. Par laimi teorija ļauj apzināties, ka pastāv arī kļūdas. Nav tā, ka pēc desmit gadu darba man ir kardināli mainījies priekšstats par nākotni un nolaižas rokas, joprojām ir interesanti!” noslēdz Aleksandrs.   Pētījums notiek  ERC (Eiropas Zinātnes Padomes) projekta „MQC: Methods for Quantum Computing" ietvaros. Līguma Nr. 320731 Vairāk informācijas šeit.