Кванттық компьютерлер туралы

Бәріміз үйде, офиста немесе оқуда қолданатын қарапайым компьютерлер туралы жақын келешекте "классикалық компьютерлер" деген атама қолданыла бастайды. Өйткені, біз қазір қарапайым компьютерлердің техникалық мүмкіндіктерінің шекарасына біраз жақындап қалдық, оның үстіне, ғылым-білім саласында ең заманауи суперкомпьютерлердің де мүмкіндіктері жетпейтін жағдайлар кездесіп жатыр. Анығырақ қылып айтқанда, біздің қазіргі компьютерлеріміздің "жүрегі" боп табылатын транзисторлардың өлшемі техникалық жағынан жасап шығару мүмкін болатын шекараға жақындап қалды. Жасап шығарушылар тұтас бір процессор ішіне мүмкіндігінше көп транзисторларды сыйдыру арқылы оның есептеу қуатын арттыруға тырысады. Кәдімгі компьютерлердің процессорларында транзисторлардың мөлшері микрометрдің көлеміне дейін азайтылған. Мысалы, Xbox ойын платформасы процессорында миллиардтан астам транзистор бір ғана сіріңке қорабындай өлшемі бар жерде жинақтап орналастырылған. Бұл дегеніміз - қазіргі компьютерлердегі процессордың бір транзисторының өлшемі шамамен 10 миллимикронға (1 миллиметрдің жүзден бірі) тең деген сөз.

         Бірақ, бұлайша транзисторлардың өлшемін азайта берудің де шегі бар, әрине. Бір күні транзисторді одан әрі қарай кішірейтуге болмайтындай күн келеді. Яғни, транзистор табиғаттағы ең кішкентай нәрсе — атом мөлшерінен де кішкентай бола алмайды ғой?

         Мәселенің екінші жағы да бар. Қазір адамзат ақпаратты күн сайын ғаламдық желіде миллиондаған террабайт жаңа ақпарат пайда болатындай үлкен көлемде жинақтап жатыр. Қазіргі күнде сарапшылар үлкен көлемді ақпарат туралы "BigData"  терминін қолданады. Статистикаға қарайтын болсақ, бүкіл әлем бойынша сандық форматтағы деректердің жыл сайынғы өсу қарқыны шамамен 30 пайызды құрайды екен. Бұл дегеніміз, осындай үлкен көлемде ақпаратты сақтауға, өңдеуге және беруге байланысты техникалық мәселелер күрделене түседі деген сөз.

         Жақсы, егер бір күні қарапайым компьютерлердің де, тіпті суперкомпьютерлердің де техникалық мүмкіндіктері өз шегіне жетсе, онда "IT дағдарысы" бола ма?  Әрине, жоқ. Осы мәселелерге балама шешім ретінде, техникалық мүмкіндіктері, тіпті суперкомпьютерлерге қарағанда мың есе көп болатын - кванттық компьютерлерді құрастыру бойынша ғалымдар белсенді жұмыс істеп жатыр.

         Біздің заманауи компьютерлердегі процессордың транзисторлары ақпаратты 0 және 1 сандарымен кодтайды және өңдейді (яғни, 1 - транзисторда ток болған кездегі күй, ток болмағандағы күй -  0 болады). Бұны бір бит деп атайды. Бит бір уақытта бір позицияда ғана болуы мүмкін, яғни 0-де немесе 1-де. Басқаша болуы мүмкін емес. Ал кванттық есептеулерде биттердің орнына кубит қолданылады. Биттерден айырмашылығы, кубит бір уақыттың өзінде 1 де, 0 де болуы мүмкін және кванттық физикадағы бұл күй суперпозиция деп аталады. Егер қарапайым компьютерде 8 биттік ақпаратты кодтау үшін 8 уақыт бірлігі қажет болса, онда кванттық компьютерде бұл ақпаратты кодтау үшін 1 бірлік уақыт қажет және тағы сол сияқты. Қарапайым процессордың қуатын ондағы транзисторлар санын өсіру арқылы арттырған сияқты, кванттық компьютердің өңдеу қуатын да кубит санын көбейту арқылы арттыруға болады. Мысалы, 10 кубит қолданатын кванттық компьютер бір уақыт бірлігінде 1023 санды кодтай алады. Ал 40 кубитті қолданса, бір уақыт бірлігінде миллионнан аса операция жасауға болады. Бұл дегеніміз, тіпті ең қуатты суперкомпьютер шешімін анықтау үшін 3,5 жыл қажет ететін математикалық есепті, кванттық компьютер 10000 секундта шешіп бере алады деген сөз. Бұндай уақыт айырмашылығын техникада "кванттық басымдық" деп атайды. Яғни, "пәлен корпорация жасап шыққан кванттық компьютердің кванттық басымдығы мынанша екен" десе, дәл осындай уақыттан ұту туралы мәселені елестету керек.

         Сонымен, онда кванттық компьютерлердің пайда болуына және кеңінен таралуына  не кедергі? Мәселе мынада, кванттық компьютерлер саласы әлі де жаңа сала болып табылады және Google, Microsoft, IBM сияқты ірі және ауқатты компаниялардың зерттеулері әлі де үлкен практикалық нәтиже бермей жатыр. Теорияда бәрі жақсы, бірақ практикалық жұмыс туралы айтатын болсақ, белгілі бір кедергілер туындайды, оларды шешу техникалық дамудың қазіргі кезеңінде біршама қиын. Ондағы ең үлкен проблема - кванттық есептеу үшін талап етілетін өте төмен температура -  -272℃ градусты құрауы қажет (ғарыштың өзінде ең төменгі температура -273,15℃-қа дейін ғана жетеді, одан төмен болмайды). Себебі жоғарыда аталған кубиттер дәл осындай температурада ғана тұрақты болады. Біріншіден, мұндай өте төмен температураны жасау оңай емес, екіншіден, мұндай төмен температура жасағанның өзінде, оны тұрақты ұстап тұру одан да қиын. Оның үстіне, кванттық компьютерлер үшін де пайдаланушы интерфейсі мен бағдарламалық тіл ойлап табу керек. Осы күнге дейін қазіргі компьютерлер үшін ондаған бағдарламалау тілдері мен операциялық жүйелердің бірнеше буыны дамыған болса, кванттық есептеулерге арналған жөні түзу компилятор мен байланыс интерфейсі әлі қалыптаспаған.

         Алайда, көптеген зертханаларда, атап айтқанда IBM, Google, Intel сияқты ірі корпорацияларда, жоғарыда айтылғандай, кванттық компьютерлерді құрастыру бойынша практикалық жұмыстар басталды және алғашқы жетістіктер де жоқ емес. Атап айтқанда, Microsoft корпорациясы кванттық компьютерлердің кубиттерінің тұрақтылығы мәселесін шешу үшін топологиялық кубиттерді қолданатынын жариялады, Google "Scymore" деп аталатын 53 кубиттік кванттық компьютер құрастырды және қарапайым компьютердің 10000 жыл орындайтын операциясын,  200 секундта орындап шыға алатын кванттық басымдығы бар деп мәлімдеді. IBM да 1121 кубиттік кванттық компьютер жасап шығару үшін жұмыс жасап жатқанын және ол 2023 жылға дейін дайын болатынын жариялады. Қалай болғанда да, олардың арасындағы бәсекелестік іс жүзінде жұмыс істейтін кванттық компьютерлердің тезірек құрастырылуына және таралуына ықпал етері анық. Сонымен қатар, осы орайда қытайлық компаниялар да өз дәрежелерін көрсетіп қалуға тырысып жатыр. Жалпы, бұл тұрғыда Қытайдың алғашқы жетістіктері бар.  Атап айтқанда, Шанхай университетінде Google-дың жоғарыда аты аталған Scymore деп аталатын кванттық компьютерінен 10 миллиард (!) есе тезірек жұмыс істейтін "Szyuchjan" деп аталатын кванттық компьютерді құрастырып жатқаны туралы жаңалықтың тарағанына біраз болды. Болжам бойынша, шанхайлықтардың кванттық компьютері қазіргі суперкомпьютерлерден екі жарым миллиард жылдық кванттық басымдығы бар.

         Кванттық компьютерлер осындай үлкен әлеуетке ие болады екен, онда, олар қайда және қандай мақсатта қолданылады? Қарапайым компьютерді (классикалық компьютерді) кванттық компьютермен салыстыру санағыш таяқтарды  қазір біз қолданатын компьютермен салыстыруға ұқсайды. Әрине, мәселе тек математикалық есептерді шешуге ғана қатысты емес. Қазіргі уақытта барлық заманауи IT-жүйелер туралы ойланыңыз - электронды төлемдер, спутниктер, интернет, GPS және т.б., сансыз техникалық құрылғылардың бәрі  - қарапайым компьютерге негізделіп жасалған. Сіз мұның бәрін санағыш таяқшалармен жасай аласыз ба? Кванттық есептеу бізге үлкен техникалық мүмкіндіктер береді, оларды бір-бірімен  салыстыруға болмайды. Бұл әсіресе криптографияда (құпия деректерді шифрлау), медицинада, BigData, бөлшектер физикасы, нейрондық желілер, жасанды интеллект және т.б. салаларда адамзатқа көмектеседі деп күтілуде. Бұл мәселелерді шешуде, тіпті 1990-шы жылдарда ең қуатты суперкомпьютерлерге негіздеп жасалынған зерттеулер де ешқандай нәтиже бермеген. Өйткені ғылымға белгілі ақуыз түрлері 200 миллионнан асады, олардың тек 170 мыңға жуығы 3D құрылымы бойынша анықталған. Бұл өте маңызды нәрсе, ақуыздардың нақты үш өлшемді құрылымы олардың қасиеттерін анықтауға көмектеседі. Бұл әртүрлі ауруларды емдеуде және диагностикалауда өте маңызды, әсіресе қатерлі ісік сияқты ауруларын емдеуде ақуыздардың құрылымын білу ауадай қажет. Тіпті ең қуатты заманауи суперкомпьютердің күші 200 миллион ақуыз түрінің үш өлшемді құрылымын жасауға қауқары жеткіліксіз. Ал кванттық физика бұл мәселені бірнеше секундтарда ғана шешіп бере алар еді. Бұл бір ғана мысал. Қала берді, кванттық есептеулер адамзатқа бөлшектер физикасы, дәрі-дәрмектердің әсерін модельдеу және т.б. салаларда бұрын-соңды болмаған жаңа мүмкіндіктер ашады. Қысқасы, квант компьютерлері - өркениет тарихында келесі бір жаңа технологиялық төңкеріс жасары сөзсіз.