Doc. Mantas Šimėnas.

Kvantinis mažų dalelių pasaulis daugeliui iš mūsų yra labai menkai pažįstamas arba nepažįstamas visai. Jis remiasi visai kitokiais fizikos dėsniais, dėl kurių dalelės gali pereiti kiaurai barjerus ar būti dviejų būsenų vienu metu. Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto Taikomosios elektrodinamikos ir telekomunikacijų instituto mokslininko doc. Manto Šimėno teigimu, kvantinės technologijos ir kvantiniai kompiuteriai turi didžiulį potencialą, bet juos kuriant susiduriama tiek su fundamentinės fizikos, tiek su inžinerijos iššūkiais.

Kvantinė fizika – neintuityvi, bet vis labiau pažįstama mokslininkams

Pasak doc. M. Šimėno, kvantinė fizika, skirtingai nuo klasikinės fizikos šakų, yra neintuityvi ir susijusi su reiškiniais, kuriuose veikia labai mažos dalelės.

„Mes nuo gimimo kuriame patirtį mus supančiame pasaulyje, tad mechaniką, optiką, elektrodinamiką ir kitas klasikinės fizikos sritis suprantame intuityviai. Kvantinėje fizikoje susiduriame su tokiais reiškiniais kaip kvantinis tuneliavimas ar kvantinė superpozicija, kurių klasikinėje fizikoje neaptinkame. Intuityviai suprasti šiuos reiškinius yra sunku, nes su jais beveik nesusiduriame, bet dalelių pasaulyje šie reiškiniai yra kasdienybė“, – pasakoja mokslininkas.

Kvantinis tuneliavimas leidžia dalelėms pereiti kiaurai tam tikrą kliūtį, kurios klasikinės fizikos atžvilgiu negalėtų įveikti. Kitaip tariant, kvantinės dalelės gali „tuneliuoti“ – atsidurti kitoje barjero pusėje. Ne mažiau įdomus ir kvantinės superpozicijos reiškinys, kuris leidžia kvantinėms dalelėms būti keliose vietose ar kelių būsenų vienu metu. Kaip pavyzdį mokslininkas pateikia elektronų sukinius, kuriuos pats tyrinėja.

Pasak doc. M. Šimėno, kvantinė fizika, skirtingai nuo klasikinės fizikos šakų, yra neintuityvi ir susijusi su reiškiniais, kuriuose veikia labai mažos dalelės.

„Sukinys yra dalelių, tarp jų ir elektrono, kvantinė savybė, kurią galima įsivaizduoti kaip mažą magnetą ar kompaso rodyklę, paklūstančią kvantinės fizikos dėsniams. Būdama kvantinės superpozicijos būsenos, ši rodyklė vienu metu rodo ir į viršų, ir į apačią“, – aiškina VU mokslininkas.

Pašnekovas pabrėžia, kad mokslininkams vis dar sudėtinga suvokti filosofiją, slypinčią už kvantinės fizikos, nors tyrėjai kvantinę fiziką yra gana neblogai įvaldę. Jau turime ir pirmuosius kvantinius kompiuterius, kurie gali spręsti specifinius uždavinius.

„Klasikiniame kompiuteryje mes turime bitą ir informaciją koduojame 1 ir 0, o kvantinio kompiuterio atveju turime kvantinį bitą, arba „kubitą“. Kubito pavyzdys – elektrono sukinys, kuris gali būti kelių būsenų vienu metu. Būtent tai leidžia itin sparčiai atlikti tam tikrus skaičiavimus“, − pasakoja mokslininkas.

Kvantiniame pasaulyje ieškosime naujų vaistų ir būsime nesusekami

Tikimasi, kad kvantiniai kompiuteriai sugebės išspręsti labai sudėtingus uždavinius, kurių nepavyksta įveikti klasikiniams kompiuteriams. Viena iš tokių kompiuterio pritaikymo sričių – cheminių reakcijų ir naujų vaistų paieška.

„Cheminių reakcijų ir vaistų kūrimo procesuose veikia molekulės, paklūstančios kvantinės fizikos dėsniams. Tad bandant sumodeliuoti molekulę naudojantis klasikiniu kompiuteriu susiduriama su daug iššūkių, ir kuo didesnė yra molekulė, tuo ją tyrinėti yra sudėtingiau. Tai ypač aktualu modeliuojant baltymus ar kitas dideles molekules, kurių tyrimai reikalauja itin daug skaičiavimo resursų. Kvantinis kompiuteris leistų šiuos skaičiavimus atlikti daug greičiau“, − aiškina doc. M. Šimėnas.

Galingas kvantinis kompiuteris gali tapti ir valstybių strateginiu ginklu. Šiandien vykdant bankinį pavedimą ar perduodant kitą konfidencialią informaciją naudojami klasikiniai kriptografiniai šifravimo algoritmai, kur informacija koduojama tam tikrais asimetriniais algoritmais. Su klasikiniu kompiuteriu tokius duomenis dešifruoti užimtų labai daug laiko, o kvantiniai kompiuteriai su jais susitvarkytų labai lengvai.

Tikimasi, kad kvantiniai kompiuteriai sugebės išspręsti labai sudėtingus uždavinius, kurių nepavyksta įveikti klasikiniams kompiuteriams.

„Manoma, kad kažkuriuo metu klasikiniai šifravimo algoritmai taps pažeidžiami, tad valstybė, kuri pirmoji sukonstruos galingą kvantinį kompiuterį, turės pranašumą prieš kitas valstybes. Šiandien kvantinio kompiuterio, gebančio tokius uždavinius spręsti, nėra, bet kubitų skaičius kvantiniuose kompiuteriuose sparčiai didėja, tad pamažu artėjama prie tikslo“, − pasakoja mokslininkas.

Klasikinių šifravimo algoritmų pažeidžiamumo problemos sprendimą taip pat pateikia kvantinė fizika, įgalindama naujo tipo duomenų šifravimą. Čia informacija koduojama kvantinės fizikos dėsniais, tad nepastebėtam perimti taip užkoduotų duomenų bus neįmanoma.

„Kvantinės fizikos algoritmais užkoduotos žinutės neįmanoma perimti nepaliekant pėdsako, tad komunikuojantys dalyviai suprastų, kad jų yra klausomasi“, − sako mokslininkas.

Kvantinis kompiuteris superkompiuterį lenkia ne visur

Uždaviniams, reikalaujantiems labai didelių skaičiavimo resursų, šiandien naudojame superkompiuterius, tačiau jau egzistuoja kvantiniai kompiuteriai, kurie tam tikras specifines užduotis atlieka daug greičiau.

„Dar 2019 m. „Google“ sukūrė kvantinį 53 kubitų procesorių, kuris yra pranašesnis už klasikinio superkompiuterio procesorių. Nors uždavinys, kurį šis kompiuteris sprendė, buvo labai specifinis, pirmą kartą buvo pademonstruotas kvantinis pranašumas (angl. Quantum supremacy) – pirmą kartą istorijoje kvantinis kompiuteris „įveikė“ superkompiuterį“, − pasakoja mokslininkas.

„Google“ kvantinis kompiuteris minėtą uždavinį išsprendė per kelias minutes, kai superkompiuteriui būtų prireikę 10 000 metų. Dėl tikslių greičių skirtumų dar vyksta intensyvūs debatai, bet pranašumas bet kuriuo atveju egzistuoja. Kita vertus, pagrindiniu kvantinio kompiuterio trūkumu išlieka sprendžiamų užduočių specifiškumas ir siaurumas.

„Gali būti, kad kvantinis kompiuteris bus skirtas tik tam tikroms specifinėms užduotims spręsti. Net jeigu turėsime numatę uždavinį, gali būti, kad kvantinį kompiuterį reikės tam uždaviniui pritaikyti. Vyrauja nuomonė, kad kvantiniai kompiuteriai niekad netaps universalūs, bet dar visai neseniai tas pats buvo manoma ir apie klasikinius kompiuterius, kuriuos šiandien naudojame kasdien, tad kol kas sunku prognozuoti“, − sako mokslininkas.

Kvantinei atminčiai skirtų medžiagų paieškos VU

Doc. M. Šimėnas bendradarbiaudamas su kolegomis iš Londono universiteto koledžo (University College London) tiria medžiagas, kurios galėtų būti pritaikomos kvantinei atminčiai – vienai iš ateities kvantinio kompiuterio ir kvantinio interneto sudedamųjų dalių. Mokslininkų tiriama kvantinė atmintis yra paremta elektronų sukiniais, kurie yra įdedami į silicį ir kitas medžiagas.

„Silicis yra viena iš pagrindinių šiuolaikinės elektronikos pramonės medžiagų, tad kvantinę atmintį siekiame sukurti būtent šios medžiagos pagrindu. Elektronų sukinius silicyje charakterizuojame naudodami elektronų paramagnetinį rezonansą. Šis metodas yra šiek tiek panašus į magnetinį rezonansą, aptinkamą medicinoje, kuris leidžia atlikti paciento vidaus organų vaizdinimą. Mūsų atveju, užuot vaizdinę, matuojame, kaip ilgai išsilaiko elektronų sukinių kvantinės superpozicijos būsena, t. y. kvantiškumas. Elektronų sukinių kvantinę būseną galime išlaikyti net kelias sekundes, bet siekiame šį laiką dar pailginti“, − pasakoja mokslininkas.

Doc. M. Šimėnas bendradarbiaudamas su kolegomis iš Londono universiteto koledžo (University College London) tiria medžiagas, kurios galėtų būti pritaikomos kvantinei atminčiai – vienai iš ateities kvantinio kompiuterio ir kvantinio interneto sudedamųjų dalių.

Nors kuriami vis daugiau kubitų turintys kvantiniai kompiuteriai, bet iki naudingo jų pritaikymo dar laukia ilgas kelias. Vienu pagrindinių iššūkių tampa kvantinės būsenos išlaikymas skaičiavimo metu.

„Šiandien dominuoja kelios skirtingos kvantinių kompiuterių architektūros, kurios remiasi skirtingomis kubitų sistemomis ir todėl pasižymi skirtingomis savybėmis. Vis dar nėra aišku, kuri architektūra taps nugalėtoja. Mes tiriame elektronų sukinius, bet mano anksčiau minėtas „Google“ kompiuteris naudoja superlaidžius kubitus – labai mažas elektros grandines, sudarytas iš superlaidininkų, kurios elgiasi kaip kvantinės sistemos. Elektronų sukinių kubitai kvantinę būseną išlaiko kelias sekundes, o superlaidūs kubitai tik kelias mikrosekundes – milijoną kartų trumpiau. Todėl svarstoma kurti hibridinius kvantinius kompiuterius, kurie pasižymėtų geriausiomis skirtingų architektūrų savybėmis“, – pasakoja doc. M. Šimėnas.

Kitas itin sudėtingas iššūkis kuriant kvantinius kompiuterius yra kubitų tarpusavio sąveikos užtikrinimas. Tai kelia problemų tiek fundamentinės fizikos, tiek inžinerijos požiūriu.

„Susiduriame su dviprasmiška situacija, kadangi kvantines sistemas reikia labai gerai izoliuoti nuo aplinkos triukšmų, bet kartu reikia užtikrini kubitų tarpusavio sąveiką ir sąveiką su kompiuterio valdymo sąsaja. Visa tai kol kas kelia labai daug papildomų inžinerinių sunkumų. Pavyzdžiui, dažnai kubitų sistemas reikia atšaldyti beveik iki absoliutaus nulio temperatūros“, − pasakoja mokslininkas.

Startuolį įkvėpė garsaus fiziko pavyzdys

Dirbdamas Londono universiteto koledže, doc. M. Šimėnas kartu su kolegomis įkūrė startuolį, plėtojantį kriogeninių stiprintuvų technologijas, skirtas elektronų paramagnetiniam rezonansui.

„Pačią kriogeninių stiprintuvų idėją mes „pasiskolinome“ iš kvantinių technologijų, kur šie stiprintuvai naudojami signalams stiprinti. Kriogeniniai stiprintuvai gali pagerinti prietaiso jautrumą ir sutrumpinti matavimo laiką net iki 100 kartų. Tad jei įprastai eksperimentas trunka dieną ar savaitę, su šiais stiprintuvais jį galima atlikti per valandą“, − pasakoja mokslininkas.

Doc. M. Šimėno teigimu, įkurti startuolį juos įkvėpė darbas su vienu žymiausių sukinių kvantinės fizikos specialistų prof. Johnu Mortonu, kuris puikiai suderina mokslinę karjerą ir verslą.

„Prie minties apie startuolį prisidėjo ir mano podoktorantūros stažuotės vadovo prof. J. Mortono pavyzdys. Be sėkmingos mokslinės karjeros, jis yra įsteigęs keletą startuolių, kurie yra pritraukę milijonines investicijas. Šis žmogus buvo puikus įrodymas, kad sistemingai siekiant tikslo galima puikiai suderinti mokslą su verslo plėtojimu“, − teigia tyrėjas.

Mokslininkas pažymi ir Londono universiteto koledže įsigalėjusią startuolių kultūrą, kurios dar stokojama Lietuvoje.

„Važiuodamas į Londoną galvojau, kad grįšiu su neblogais tyrimų rezultatais, bet ne su startuoliu. Londono universiteto koledžas labai skatina startuolių kūrimą ir turi specialias programas, tad sukūrus išradimą ir įvertinus jo pritaikomumą iškart galvojama apie startuolį. Patys mokslininkai dažnai bijo rizikuoti ir investuoti reikiamą dalį lėšų startuolio veiklos pradžioje, tad finansinis universiteto skatinimas tikrai prideda motyvacijos ir prisideda kuriant startuolių kultūrą“, – teigia mokslininkas.

Tolesniam kriogeninių stiprintuvų technologijų pritaikymui elektronų paramagnetinio rezonanso tyrimuose doc. M. Šimėnas taip pat gavo prestižinį Marie Skłodowskos-Curie podoktoratūros stažuotės grantą. Šios stažuotės vadovas – prof. Jūras Banys.

VU mokslinių tyrimų infrastruktūra nenusileidžia geriausiems pasaulio universitetams

Paprašytas palyginti mokslinį darbą tarp dešimties geriausių pasaulio aukštųjų mokyklų patenkančiame Londono universiteto koledže su darbu VU, doc. M. Šimėnas labai didelių skirtumų nesurado.

„Moksliniams tyrimams skirta elektronų paramagnetinio rezonanso infrastruktūra Vilniaus universitete tikrai mažai kuo nusileidžia tai, su kuria dirbau Londone. Tačiau Londono universiteto koledže buvo daug mažiau biurokratijos, o viešųjų pirkimų sistema buvo žymiai paprastesnė ir reikiamus dalykus nusipirkdavome greičiau. Bet čia jau ne universiteto, o valstybių požiūrio skirtumai. Bazinis atlyginimas Lietuvoje yra mažesnis, bet čia labai daug papildomų finansavimo šaltinių, tad, įdėjus pastangų ir noro, Londono universiteto koledžo lygį galima pasiekti“, − patirtimi dalijasi mokslininkas.

Prie doc. M. Šimėno grįžimo į VU prisidėjo Mariaus Jakulio Jason ir Vilniaus universiteto fondai, skyrę stipendijas. Mokslininkas pripažįsta, kad visada žinojo, jog grįš dirbti į Vilnių.

„Užsienyje niekada neplanavau likti. Prieš išvažiuodamas žinojau, kad grįšiu į Vilniaus universitetą tęsti tyrimų. Dirbdamas Londone, buvau pasirašęs asocijuotojo mokslininko susitarimą su VU, tad nuo savo Alma Mater nebuvau labai nutolęs, o Londonas buvo mano tarpinė stotelė, skirta pasisemti žinių“, − prisipažįsta tyrėjas.