2025 metų Nobelio fizikos premija skirta trims JAV mokslininkams: Johnui Clarke`ui, Michaelui H. Devoretui ir Johnui M. Martinisui už atradimus, kurie suteikė galimybių kurti naujos kartos kvantines technologijas. Tikimasi, kad jos padės optimizuoti sudėtingus logistinius procesus, kurti naujus vaistus, prognozuoti ugnikalnių išsiveržimus, be GPS nustatyti vietą ir sumažinti didelių kibernetinių incidentų skaičių.
STRAIPSNIS TRUMPAI
- Nobelio premijos laureatai parodė, kad kvantiniai reiškiniai, pavyzdžiui, dalelių gebėjimas eiti kiaurai kliūtį, galioja ir makroskopinėse sistemose.
- Jų atradimai padėjo pagrindą kvantinių kompiuterių ir jutiklių technologijoms.
- Kvantiniai kompiuteriai padeda optimizuoti procesus, kurti naujus vaistus ir užtikrinti duomenų saugumą.
- Kvantiniai jutikliai yra itin jautrūs prietaisai, kurie galėtų pasitarnauti, jei prarastume GPS signalą.
Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto mokslo darbuotoja dr. Mažena Mackoit-Sinkevičienė LRT.lt sakė, kad ši premija buvo kaip niekad laukta.
„Pirma mintis, aišku, džiaugsmas, nes aš turėjau paskaitą su studentais ir mes kaip tik apie Nobelio premijas kalbėjome, galėjome pasileisti tiesioginę transliaciją. Aš jau praeitais metais labai laukiau, bet suprantu, kad šiemet gal netgi geriau, nes šiemet ir šimtmetis kvantinės mechanikos yra švenčiamas. Tai čia labai simboliška, kad būtent šiais metais“, – kalbėjo fizikė.
Šių metų Nobelio premijos laureatai atliko eksperimentus su elektros grandine. Jie įrodė kvantinės mechanikos tuneliavimo ir energijos kvantizacijos reiškinius sistemoje, kuri yra tokio dydžio, kad ją būtų galima laikyti rankoje. LRT.lt aiškinosi, kuo svarbūs šie moksliniai tyrimai.
Eiti kiaurai sienas įmanoma ne tik filme
Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto profesorius Mantas Šimėnas sako, kad įprastai kvantinė mechanika aprašo labai mažų dalelių – atomų, elektronų – reiškinius.
„Mes gyvename didelių objektų pasaulyje, dėl to tie kvantiniai reiškiniai mums yra visiškai neįprasti. Kai žmonės pradeda skaityti apie kvantinius reiškinius, tai iš tikrųjų supranta, kad tas mikroskopinis pasaulis yra visiškai kitoks.“
Vienas iš tokių kvantinės fizikos reiškinių – tuneliavimas, kitaip sakant – dalelių sugebėjimas skrosti kiaurai barjerą.
„Tai klasikiniu atveju galėtumėt įsivaizduoti, kad metate kamuolį į sieną ir kamuolys atsiduria kitoje sienos pusėje. Klasikiniu mūsų pasaulio, sakykim, didelių objektų pasaulio požiūriu tas yra neįmanoma. Bet kvantinėje mechanikoje, t. y. mažų dalelių fizikoje, tas yra įmanoma – mažos dalelės gali tuneliuoti per barjerą“, – pasakoja fizikas.
Visgi, anot jo, kyla natūralus klausimas, kur yra ta riba – kokį sistemos dydį pasiekus pereitume iš kvantinio pasaulio į mums gerai pažįstamą klasikinį pasaulį, kuriame kvantiniai reiškiniai nebevyksta.
„Tai fundamentiniu požiūriu šitie tyrimai, už kuriuos skirta Nobelio premija, padeda tirti tuos efektus, tą ribą. Dėl to ir akcentuojama, kad makroskopiniame objekte taip pat buvo matytos tos kvantinės savybės“, – teigia dr. M. Šimėnas.
Padeda kurti kvantines technologijas
Dr. M. Šimėnas pasakoja, kad premija apdovanoti labai žymūs mokslininkai – superlaidžių kubitų, vadinamųjų kvantinių bitų, srities pionieriai.
Kad suprastume, kas yra superlaidūs kubitai, galima įsivaizduoti šviesos jungiklį. Klasikiniame pavyzdyje jis gali būti tik išjungtas (0) arba įjungtas (1) – tai yra bitas. O štai kubitas yra jungiklis, kuris vienu metu yra visose įmanomose pozicijose tarp išjungimo ir įjungimo. Ši kelių būsenų savybė vadinama superpozicija.
Anot fiziko, laureatų sukurti prietaisai gali būti naudojami kaip kvantiniai bitai, vadinamieji kubitai, ir jie yra kvantinio kompiuterio esminė dalis.
„Klasikiniame kompiuteryje mes turime įprastus bitus, kurie yra tiesiog tranzistoriai, o čia mes turime kvantinius bitus, kurie ir įgalina tuos kvantinius kompiuterius, – aiškino M. Šimėnas. – „IBM Condor“, „Google Sycamore“ ir pan. kvantiniai kompiuteriai stovi ant šitų superlaidžių kubitų. Dabar tai yra dominuojanti kvantinių kompiuterių architektūra.“
Kvantinių kompiuterių pranašumas
Anot profesoriaus, tikima, kad kvantiniai kompiuteriai tam tikrose situacijose turėtų žymiai pranokti klasikinius kompiuterius. Tai, pavyzdžiui, galėtų būti tų pačių kvantinių uždavinių sprendimas: „Tai jūs galite įsivaizduoti, kad turime kvantinę sistemą, kokią nors sudėtingą molekulę, tai mes ją galime skaičiuoti įprastiniu kompiuteriu, bet tą padaryti yra sudėtinga, nes tie kvantiniai reiškiniai yra itin sudėtingi ir reikalauja labai daug resursų. Taigi, kvantinis kompiuteris galėtų tiesiogiai skaičiuoti kvantinę sistemą, nes jis remiasi kvantine mechanika.“
Kita sritis – kriptografija. Anot pašnekovo, kvantiniai kompiuteriai užtikrintų tai, kad kompiuterinės programos būtų sunkiau nulaužiamos: „Klasikiniai šifravimo algoritmai, kurie dabar yra plačiai naudojami, pavyzdžiui, atliekant bankinį pavedimą ir pan., klasikiniam kompiuteriui yra praktiškai neįveikiami [sudėtinga nulaužti], tai dėl to jie yra naudojami. Bet yra kvantinių algoritmų, kurie galėtų tuos klasikinius šifravimo – kriptografijos – algoritmus labai lengvai nulaužti. Tai dėl to daug valstybių, daug kompanijų dabar kuria tuos kvantinius kompiuterius būtent dėl šių priežasčių.“
Sakoma, kad pirmasis žmogus, turintis kvantinį kompiuterį su labai daug kubitų, galėtų nulaužti visus kitų valstybių duomenis ir tapti turtingiausiu žmogumi planetoje, juokauja dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.
Kvantiniai kompiuteriai taip pat galėtų padėti optimizuoti logistikoje, energetikoje ar pramonėje naudojamus procesus, kuriuose yra daug kintamųjų.
„Čia netgi [galėtų padėti] sprendžiant garsųjį uždavinuką apie pirklio judėjimą tarp miestų: kuriuos kelius jam pasirinkti logistiškai, kad greičiausiai visus pasiektų laiku, – komentavo dr. M. Mackoit-Sinkevičienė. – Taip pat praverstų planuojant grafikus, pvz., net ligoninėse, kur labai daug įvykių, taip pat palengvintų išteklių gabenimą karo fronte. Visur, kur reikia labai greitai priimti sprendimus ir yra tokių uždavinių [su daug kintamųjų].“
Anot fizikės, kvantiniai kompiuteriai gali būti iškeliami į kosmosą, ten jie greitai apdorotų informaciją ir grąžintų ją į žemę.
2025 m. birželio 23 d. į kosmosą pirmą kartą pakilo kvantinis kompiuteris, kuriame integruotas lietuviškas lazeris. Maždaug 550 km aukštyje buvo atlikti pirmieji kvantiniai skaičiavimai kosminėje erdvėje.
Kvantiniai kompiuteriai gali būti pasitelkiami kuriant naujus vaistus ar net siekiant pagerinti kavą (galima būtų modeliuoti kofeino molekules). Dar viena sritis – klimato kaitos stebėsena.
„Ką žmonija dabar turi, tai superkompiuterius. Ir modeliuoti klimato kaitą superkompiuteriu galima. Bet tai užtrunka. Jeigu palygintume su kvantiniais kompiuteriais, tam tikri uždaviniai galėtų būti išsprendžiami žymiai greičiau, tada ne per ištisus metus, o per sekundes, minutes būtų tie atsakymai“, – sako pašnekovė.
Nors kvantiniai kompiuteriai gali išspręsti kai kurias sunkiai išsprendžiamas problemas, M. Šimėno teigimu, kasdienes užduotis šie prietaisai atliks lėčiau nei mums įprasti kompiuteriai.
„Kvantinio kompiuterio kiekvienas namuose tikriausiai neturėsime. Aišku, tas pats buvo sakoma ir apie klasikinį kompiuterį“, – svarsto mokslininkas.
Kvantiniai jutikliai
Visgi nors kvantiniai kompiuteriai yra egzotiškiausia ir dažniausiai aptarinėjama tema, LRT.lt kalbinti fizikai primena, kad kvantinė mechanika gali būti pasitelkiama ir kitoms technologijoms kurti, pavyzdžiui, kvantiniams jutikliams.
„Tai yra labai jautrūs prietaisai, skirti matuoti įvairioms savybėms, pavyzdžiui, magnetiniam laukui, temperatūrai ir pan.“, – sako M. Šimėnas.
Dr. M. Mackoit-Sinkevičienė pasakoja, kad Lisabonoje jau buvo pademonstruoti tokie jutikliai, kurie aukštį jaučia centimetrų paklaidomis.
„Yra, aišku, tie kariniai GPS, kur galima pasiekti didelį tikslumą. Bet šiuos galėtų turėti paprasti žmonės“, – teigia fizikė.
Anot pašnekovės, tokie jutikliai pasitarnautų, jei dėl karo ar kitų priežasčių dingtų galimybės naudotis GPS signalu: „Mes galėtume su tokiais jutikliais eiti pagal Žemės magnetinį lauką ir tiksliai pasakyti, kur yra Vilnius–Kaunas.“
Be kita ko, kvantiniai jutikliai galėtų nuspėti ugnikalnių išsiveržimus ar būti pritaikomi medicinoje, pavyzdžiui, stebint, kokiose smegenų vietose aktyvuojami neuronai, priduria VU mokslo darbuotoja.
2025-ieji – kvantiniai metai
Mes turime nemažai priemonių, bet kvantinės technologijos yra tarsi naujas žingsnis, kad galime geriau, sako dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.
Atrodo, kad tai supranta ir pasaulis, mat į kvantines technologijas jau yra investuojami milijardai eurų.
2025-ieji oficialiai paskelbti Tarptautiniais kvantiniais metais, o Europa išsikėlė tikslą dar šįmet paleisti pirmąjį superkompiuterį su kvantiniu pagreičiu. Be to, iki 2030-ųjų norima tapti pirmaujančiu žemynu kvantinių pajėgumų srityje. Lietuva taip pat tam ruošiasi: jau pristatytos Lietuvos kvantinių technologijų gairės – planas, kaip ši technologija bus vystoma mūsų šalyje. Be to, šalis pasirašė Europos deklaraciją dėl kvantinių technologijų, taip įsipareigodama kurti pasaulinio lygio kvantinių technologijų ekosistemą.
