Ieva Siliņa: Kāpēc matemātika ir saistīta ar tehnoloģijām?
Andris Ambainis: Matemātika abstraktajā modelī modelē it visu. Matemātika ir tā valoda, kurā mēs varam precīzi izteikt sakarības, vai tās būtu sakarības kvantu datora atmiņā, vai sakarības starp kādiem lielumiem, kas raksturo cilvēku sabiedrību.
Tad sanāk, ka cilvēks, kurš ikdienā lieto viedtālruni, izmanto matemātiku?
Viedtālrunī iekšā ir neskaitāmi slāņi – slānis, kas nodrošina drošu informācijas pārraidi, slānis, kas nodrošina to, ka tas signāls vispār nonāk līdz sakaru tornim un tiek korekti atšifrēts. Tur iekšā ir ārkārtīgi daudz.
Kur tad slēpjas kvantu skaitļošana?
Kvantu skaitļošana – tas ir nākamais lieljaudas skaitļošanas solis, lai mēs sarežģītus skaitļošanas procesus veiktu citā līmenī. Tam mums būtu kvantu dators, kas balstās uz kvantu fizikas likumiem. 1980. gadu sākumā fiziķis Ričards Fainmans nonāca pie domas, ka, ja kvantu fiziku ir tik sarežģīti modelēt uz parastā datora, tad varbūt varētu kvantu fiziku izmantot, lai būvētu jaudīgākus datorus, kas spēj ko tādu, ko nespēj parastais dators. Defektu, ka nespējam fiziku modelēt uz datora, pārvēršam par efektu un izmantojam, lai būvētu jaudīgākus datorus.
Kādreiz dators aizņēma milzīgas telpas, un tagad tas ir kļuvis pavisam mazs. Vai mēģina radīt jaunu milzu iekārtu, kas pamazām kļūs mazāka?
Jā, kvantu iekārtas varbūt neaizņem atsevišķu telpu, bet tās ir ļoti sarežģītas.
Šobrīd katrs kvantu dators maksā vismaz 50 miljonus eiro. Mums vēl priekšā ir ceļš, kā nonākt no lielām, sarežģītām ierīcēm, kas maksā miljonus, līdz mazām ierīcēm, kas maksātu pieejamāk
un kuras būtu vienkāršāk operējamas, jo šobrīd kvantu ierīces ir jāliek telpās ar zemu trokšņu līmeni, lai zemas vibrācijas netraucētu to darbībai. Tas ir kā pirmie datori, tikai ar citu tehnoloģiju un 80 gadus vēlāk.
Ar ko kvantu fizika un kvantu mehānika atšķiras no parastās, klasiskās fizikas?
Nu, tur ir citādāki fizikas likumi, un informācija datorā var atrasties vairākos stāvokļos. Parastajam datoram binārajā loģikā ir divi stāvokļi – nulle un viens. Kvantu datoram ir virkne starpstāvokļu, no kuriem nulle un viens ir tikai divi no tiem. Pateicoties tam, varam kvantu datoru izmantot, lai vienlaikus veiktu ļoti daudz skaitļošanas procesu. Kvantu dators spēj vienlaikus pārbaudīt miljardiem un triljoniem iespēju un savilkt kopā rezultātus. Tas ir ļoti lielas jaudas dators, kas var paralēli skaitļot daudzas lietas. Tā, it kā mums būtu miljardi datoru, kas paralēli strādā, bet reāli tas ir viens dators.
Kāpēc telpā, kur atrodas kvantu dators, nedrīkst būt skaņa vai vibrācija?
Mans kolēģis Vjačeslavs Kaščejevs saka, ka kvantu fizika ir ļoti mazu vai ļoti aukstu lietu fizika.
Tā apraksta fizikas likumus, pēc kādiem darbojas atsevišķi atomi vakuumā vai pēc kuriem darbojas fizikālas sistēmas, kas ir nedaudz lielākas par atomu, bet ir ļoti pamatīgi atdzesētas. Šie fizikas likumi ir ārkārtīgi trausli. Tiklīdz sākas mijiedarbība ar apkārtējo vidi, fizikas likumi to pārvērš par parasto fiziku, kvantu sistēma izjūk. To sauc par dekoherenci, tas nozīmē, ka daļa no kvantu stāvokļa pārnesas uz apkārtējo vidi, kas vairs nav kvantiska. Tas tad vairs nav kvantu dators, tas kļūst par parasto datoru.
Vai šīm smalkajām kvantu ierīcēm ir arī kādi īpaši algoritmi vai citas programmēšanas valodas?
Jā, jo, lai ar tām izdarītu vairāk nekā ar parasto datoru, ir vajadzīgi īpaši algoritmi. Piemēram, kvantu dators ļauj pārbaudīt miljardiem dažādu variantu vienlaikus, piemēram, ar kvantu algoritmiem var uzlauzt kādu noteiktu šifru, varam ļoti ātri noteikt kādu matemātisku struktūru datus.
No programmēšanas viedokļa kvantu datori atrodas tajā stadijā, kur atradās pirmie datori.
Vai mērķis ir vairākām valstīm kopā lietot šo datoru, vai tomēr katram būs savs dators?
Es teiktu, ka pagaidām vairākas valstis kopā, jo kvantu datori tomēr ir ļoti sarežģīti un tuvākajā laikā mēs vēl neuzdrošināmies sapņot par to, ka katram varētu piederēt savs kvantu datoriņš. Taču, ja ir interese, mēs esam Latvijas Universitātes Kvantu datorzinātnes centrā vadījuši seminārus kvantu programmēšanā skolēniem, kur mēs parādām, kā uz kvantu datora kaut ko uzprogrammēt. Nākamais piekļuves līmenis būs seši Eiropas kvantu datori, un tiem varēs piekļūt dažādu valstu zinātnieki.
Cik drīz būtu jāgaida līdz Eiropas kvantu datoriem?
Es esmu komandā ar vienu no iesaistītajām organizācijām. Plāns ir, ka viens kvantu dators būs Polijā – Polijas Superskaitļošanas centrā Poznaņā. Šobrīd šis kvantu dators atrodas iepirkumu procesā, kas tuvāko nedēļu vai mēnešu laikā noslēgsies. Ir cerība, ka līdz 2024. gada beigām dators varētu būt uzstādīts Poznaņā.
Kā kvantu tehnoloģijām ir ar drošības riskiem? Vai esošā šifrēšana kvantu datoram būs viegli atšifrējama?
Jā. Faktiski tas nozīmē, ka mums savlaicīgi būs jānomaina visas šifrēšanas infrastruktūras šifriem, lai tie būtu droši pret kvantu datoriem. Un ir alternatīva – postkvantu kriptogrāfija. Tas ir tas no kriptogrāfijas, kas izdzīvos tad, kad būs kvantu datori. Postkvantu kriptogrāfija tiek aktīvi pētīta, un ir mēģinājumi pasaules mērogā izstrādāt postkvantu kriptogrāfijas standartu.
Mums vēl ir vismaz kādi 10–20 gadi līdz brīdim, kad kvantu datori kļūs pietiekami jaudīgi, lai uzlauztu šodien lietotos šifrus.
Pa to laiku mēs varam tos aizstāt ar postkvantu kriptogrāfiju.
Vai kvantu datori darbosies internetā, vai arī būs kāds īpašs tīkls, kur tie savā starpā komunicēs?
Ir tāda vīzija, ka mums varētu būt kvantu datori, kas apmainās savā starpā ar kvantu signāliem. Ir tāds Eiropas projekts – Kvantu interneta alianse, kur mēģina virzīt kvantu internetu un izstrādāt tehnoloģijas, ko ar to varētu darīt. Tā būtu vēl augstāka drošības pakāpe par postkvantu kriptogrāfiju. Tā būtu kvantu kriptogrāfija, kas konceptuāli var darboties uz šodienas datora un piedāvāt tādu drošības pakāpi, kādu mēs citādi nespējam sasniegt.
Vai ir kādas vietnes, kam sekot, lai uzzinātu par jaunāko kvantu jomā?
Pašlaik es sekoju lielajām zinātnes vietnēm, piemēram, žurnālam "Nature" vai populārajiem "The Scientist Magazine" rakstiem, bet mūsu ilgtermiņa plāns ir šos svarīgos rakstus tulkot latviski. Kā teica viens no kvantu skaitļošanas vadītājiem kompānijā "Google", šajā nozarē ir trīs lietas: quantum hardware jeb kvantu "dzelži", quantum software jeb algoritmi un quantum vaporware jeb migla, ko acīs pūš dažādi pārspīlētāji.
Pastāsti, lūdzu, par Latvijas Kvantu iniciatīvu!
Latvijas Kvantu iniciatīva ir mūsu lielākais sadarbības projekts kvantu skaitļošanā. Šobrīd kvantu tehnoloģijas Eiropā ir ļoti aktuālas, un aizvien vairāk Eiropas valstu tiek veidoti kvantu projekti, kas apvieno dažādu nozaru zinātniekus – no datorzinātniekiem līdz fiziķiem. Mēs esam izveidojuši šādu projektu Latvijā, kas ir tapis ar Eiropas Atveseļošanas fonda atbalstu. Šis projekts darbosies trīs gadus, līdz 2026. gadam. Pie projekta strādājam mēs, Latvijas Universitātes Kvantu datorzinātnes centrs, kopā ar Rīgas Tehniskās universitātes Telekomunikāciju institūtu, Latvijas Universitātes Matemātikas un informātikas institūtu un Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtu. Mērķis ir nosegt visu, kas Latvijā notiek kvantu jomā un ir saistīts ar kvantu tehnoloģijām.
Latvijas Kvantu iniciatīva?
Iniciatīva apvieno Latvijas vadošos kvantu tehnoloģiju jomas zinātniekus un mācībspēkus ar mērķi atbalstīt zināšanas, prasmes, tehnoloģijas un idejas, kas saistītas ar kvantu fizikas teorijas praktiskiem pielietojumiem. Šī iniciatīva ir daļa no Eiropas un pasaules mēroga centieniem izveidot un pielietot virkni kvantu fenomenos bāzētu tehnoloģiju, kas nesīs revolucionāras izmaiņas skaitļošanā, sakaros un sensoru izveidē.
Kādas vēl tehnoloģijas mēs varētu sagaidīt nākotnē?
Kvantu datoru jomā runā par četriem tehnoloģiju zariem – kvantu datori, kvantu simulatori, kvantu komunikācija un kvantu sensori.
Kā ar pārējiem zariem, vai latvieši veido arī šīs nākotnes tehnoloģijas?
Mēs, salīdzinot, piemēram, ar Vāciju vai Franciju, esam maza valsts ar salīdzinoši maziem cilvēkresursiem, tāpēc izvēlamies ar mēreniem cilvēkresursiem realizējamus komponentus. Piemēram, kvantu algoritmus, kas ir viena no centrālajām problēmām kvantu skaitļošanā, bet kur var strādāt ar manu 20 cilvēku komandu, vai kvantu mērierīču teoriju, kurā Vjačeslavs Kaščejevs var ļoti labi strādāt ar trim četriem cilvēkiem un komunicēt ar pasaules laboratorijām. Esam uztaustījuši šādas jomas gan tur, kur tās jau ir izveidojušās, gan tur, kur tām ir potenciāls. Tā ir vēl viena svarīga dimensija – atbalstīt ne tikai tos zinātniekus, kas jau ir kaut ko sasnieguši, bet arī tos, kas vēl kaut ko varētu sasniegt, teiksim, desmit gadu laikā.
Pie kādiem projektiem tu pats strādā?
Viens lielais projekts ir Latvijas Kvantu iniciatīva, kur mēs cenšamies visu savilkt kopā, un ir vēl divi projekti sadarbībā ar citu Eiropas valstu zinātniekiem: kvantu optimizācijas projekts, kurā pētām, kā kvantu datorus var izmantot dažādiem uzdevumiem, kur kaut kas ir pēc iespējas labāk jāsaplāno. Piemēram, maršruta plānošana lidmašīnām vai "Bolt" takšiem, vai "Latvijas Valsts mežu" smagajām mašīnām. Šis projekts top, sadarbojoties universitātēm Latvijā, Parīzē, Briselē un Berlīnē.
Otrs projekts ir par buzzword (modes vārds – no angļu val.) hibrīdskaitļošana. Hibrīda skaitļošana ir kā lozungs, ka saliksim kopā labāko no kvantu un parastajiem datoriem, noliksim kvantu datoru blakus lieljaudas parastajam datoram. Tad katrs no tiem skaitļo, kas padodas labāk. Būvēsim sadarbību starp kvantu un klasiskajiem datoriem. Tas ir viens no "karstākajiem" projektiem kvantu skaitļošanā.
Cik daudz Eiropas valstu ir parakstījušas deklarāciju par kvantu tehnoloģijām?
Kopā parakstījušās 23 valstis. Tā ir teju visa Eiropas Savienība. Tas ir projekts, kas ilgs gandrīz 10 gadus, un Eiropas Savienība tam katru gadu ziedo 50–100 miljonus eiro.
Kādi zinātnes virzieni Latvijā ir perspektīvi nākotnē?
Kvantu tehnoloģijās, es domāju, mums ir jābūt pašai mazākajai kvantu tehnoloģiju lielvalstij. Es uzskatu, ka mākslīgā intelekta vilciens lielā mērā ir aizgājis.
Vēl var nākt kas jauns. Ja paskatāmies, kā kvantu tehnoloģijās "izaugu" es vai Vjačeslavs Kaščejevs, mēs abi "izaugām" no zinātņu virzieniem, kas Latvijā bija spēcīgi, aizbraucām uz ārzemēm, apguvām jaunu blakusvirzienu un atvedām uz Latviju ko jaunu.
