Квант компьютерийн хүч чадал

“The first principles of the universe are atoms and empty space. Everything else is merely thought to exist.” — Democritus

“Орчлон ертөнцийн анхны бөгөөд тулгуур зарчим бол атомууд болон хоосон орон зай юм. Үүнээс бусад бүх зүйлс нь зөвхөн оршин буй мэтээр төсөөлөгддөг төдий зүйл билээ.” — Демокрит

Арван жилийн шинжлэх ухааны хичээлүүд дээр бид оршихуй бүхэн ямар нэг жижиг хэсгээс бүрддэг талаар сурдаг. Энэхүү санаа нь бүр МЭӨ V зууны үеийн Грекийн философичдоос гаралтай ойлголт бөгөөд үүнийг “атомизм” (atomism) гэж нэрлэдэг аж. Өнөөгийн эрдэмтэд тухайн үед зөвхөн таамаг, санаа төдий байсан зүйлийг яг үнэндээ оршихуйн тулгуур зарчим гэдгийг нээж илрүүлснээр, одоо бидний хувьд “Тэнгэр бол цэнхэр өнгөтэй” гэдэг шиг л наад захын энгийн ойлголт болжээ. Тиймдээ ч одоо энэхүү бичвэрийг уншиж буй дэлгэц тань л гэхэд нарийн төвөгтэй электроникийн хэсгүүд, тэдний доторх силикон, силиконыг бүрдүүлдэг молекул, цаашлаад атом, цөм, электроноос бүрддэг гэдэг нь огт сонин биш байгаа нь гарцаагүй.

Тэгвэл та тэдгээр бөөмсийн амьдардаг квант ертөнцийн талаар хэр их мэдэх вэ? Ньютоны толгой дээр алим унаж (үнэн худал нь асуудалтай ч гэсэн), бидний мэдэх классик физикийн хуулиуд бичигдэж, түүнээсээ хөгжин явсаар одоогийн инженерчлэл, технологийн үндэс болсон билээ. Гэтэл энэхүү хуулиуд квант ертөнц гэх тэрхүү жижиг ертөнцөд үйлчлэхээ больдог байна. Тиймээс ч бөөмсийн түвшний үзэгдлүүдийг маш нарийн төвөгтэй шугаман алгебрийн хэлээр тайлбарладаг квант механик гэх сэдэв урган гарч ирсэн билээ. Одоогоор физикчид квант ертөнцийн бүх нууцыг хараахан тайлаагүй байгаа ч (квант таталцал гэх мэт), хэдийн тэрхүү сонирхолтой хуулиудыг нь ашиглаад технологи бүтээгээд эхэлжээ. Энэ бичвэрээрээ түүний хамгийн том жишээ болох Квант Компьютерийн талаар товчхон тайлбарлая.

Квант Компьютерийн салбар харьцангуй залуу боловч сүүлийн 5-10 жилээс олонд ихээхэн танигдаж эхэлж байгаа аж. Үүнийг сүүлийн жилүүдийн Нобелийн физикийн шагналаас тод харж болно. Тухайлбал, 2022 оны Нобелийн шагналыг орооцолдол (entanglement) хэмээх бөөмсийн квант шинж чанарыг нээн илрүүлсэн эрдэмтдэд олгосон бөгөөд энэхүү нээлт цаашлаад квант мэдээллийн шинжлэх ухааны суурь ойлголт болсон юм [1]. Харин 2025 оны Нобелийн шагналыг квант компьютерийн "транзистор" шиг суурь бүрэлдэхүүн хэсэг болох хэт дамжуулагч кюбит (superconducting qubits)-ийн шинж чанарыг нээн илрүүлсэн эрдэмтдэд олгосон [2]. Цаашлаад 2025 оныг "Квантын жил" болгож зарласан нь энэхүү салбар хэр их олны анхаарлыг татаж байгааг харуулж байна [3]. Хиймэл оюун ухаан (AI) эрчээ авч буй энэ үед “хөшигний ард” квант компьютер хөгжсөөр байгаа бөгөөд үүнийг дараагийн "AI Boom" болж магадгүй гэж хүмүүс үзэж, хөрөнгө оруулалт нь жил ирэх тусам өссөөр байгаа аж [4].

Квант компьютерыг ойлгохын тулд бид эхлээд “квант”-ыг буюу квант физикийг ойлгох хэрэгтэй. 1900 оны эхээр 'хоёр нүхний туршилт'-аар гэрлийг яг л усны долгион шиг гагцхүү долгионлог шинж чанартай гэж үздэг байсан нь няцаагдаж, бөөмлөг болон долгионлог чанартай болох нь батлагджээ [5]. Үүнээс л Квант Механик (Quantum Mechanics) гэх чиглэл урган гарсан бөгөөд тэрхүү өчүүхэн төвшинд бөөмс яаж авирладгийг Шрёдингерийн тэгшитгэл (Schrödinger's equation), суперпозици, Гейзенбергийн тодорхойгүйн зарчим зэрэг ойлголтуудаар тайлбарлах болсон билээ.

Эдгээрийн гол санааг маш энгийнээр тайлбарлахад: Классик буюу бидний сайн мэддэг энэхүү макро ертөнцөд модноос нэг алим унахад бид түүний хөдөлгөөнийг Ньютоны хуулиар тооцоолж, хором секунд бүрт хаана байхыг нь бараг л 100%-ийн магадлалтай зөв тодорхойлж чадна. Гэтэл квант ертөнцөд электроныг нэг хэмжээд, дараа нь дахин хэмжихэд 'яг энд байна' гэж 100% итгэлтэй хэлэх боломжгүй болдог бөгөөд гагцхүү 'А цэгт 50%, Б цэгт 50% байх магадлалтай' гэж хэлэх хэмжээний л мэдлэгтэй болох боломжтой байдаг. Тэгэхээр классик механикт бид аливаа биетийн байршлыг Евклидийн шугам (огторгуй) дээр тодорхой цэгээр тэмдэглэдэг бол квант ертөнцөд тэр нь боломжгүй болж, харин цэг бүр дээрх хэмжигдэж болох магадлалуудын нийлбэр буюу магадлалын тархалт (probability distribution) болж хувирдаг. Өөрөөр хэлбэл, тэрхүү биетийн байршлыг 100 удаа хэмжвэл 50 удаа А цэгт, 30 удаа Б цэгт, 20 удаа С цэгт хэмжигдэж болох бөгөөд хамгийн гол нь нэг цэгтээ байнга хэмжигддэггүй тодорхойгүй шинж чанартай байдаг байна. Энэ нь Эйнштейнд ч сонин санагдаж байсан бөгөөд тэрээр “Бурхан шоогоор тоглодоггүй” гэж хэлж байсан аж. Сонирхолтой нь, Эйнштейн квант физикт үхэн үхтлээ үл итгэгч байсан гэдэг [6].

Үүний тулд эхлээд ердийн компьютер яаж ажилладаг вэ гэдгийг багахан ойлгох хэрэгтэй. Компьютер "хоёртын систем" (binary system) буюу 0 ба 1-ийг илэрхийлдэг битийг (bits) ашигладаг. Үүгээр бүх тоо, үсэг, логик үйлдлийг илэрхийлдэг.

Харин квант компьютерийн бит болох кюбит (qubit) нь квант шинж чанараараа ойролцоогоор 0-ээс 1-ийн хоорондох бүхий л боломжит төлөвүүдийг нэгэн зэрэг илэрхийлж болдог. 1 кюбит л тийм их төлвийг агуулдаг тул квант компьютер нэгэн ёсондоо маш олон өгөгдлийг нэгэн зэрэг тооцоолох боломжтой юм.

Hamgiin huchirheg super computer ch tootsoolj chaddaggui зарим нэг бодлого, асуудлуудыг квант компьютер асар хурдан тооцоолох боломжтой аж. Жишээлбэл, Шорын алгоритм (Shor’s algorithm) ашиглан классик компьютерт хэдэн зуун жил зарцуулагдах тооцооллыг квант компьютер маш богино хугацаанд хийх боломжтой [7]. Энэ нь Шорын алгоритмын гол механизм болох Квант Фурье Хувиргалт (Quantum Fourier Transform)-ын хурдтай шууд холбоотой юм. Квант Фурье Хувиргалт нь суперпозици, орооцолдол зэрэг квант механикийн суурь шинж чанаруудын тусламжтайгаар ийм хурдан гүйцэтгэдэг. Хэрэв Шорын алгоритмыг бүрэн ашиглах чадалтай квант компьютер бүтээгдвэл бидний одоогийн интернетийн нууцлал болон аюулгүй байдал орвонгоороо эргэх болно. Яагаад гэвэл одоогийн нууцлалын (encryption) амин сүнс нь RSA алгоритм юм. Энэ маш том хоёр анхны тооны үржвэрээс бүрдсэн тоо бөгөөд аливаа мэдээллийг аюулгүй байлгах "түлхүүр" болгон ашигладаг. Үүний ачаар зөвхөн мэдээлэл илгээгч болон хүлээн авагч л тухайн нууц түлхүүрийг мэдэх боломжтой байдаг.

Хэрэв гадны хүн тэрхүү мэдээллийг авахын тулд түлхүүрийг нь олох гэж оролдвол, тухайн том тоог бүрдүүлж байгаа хоёр анхны тоог олж мэдэх шаардлагатай болно. Гэвч ийм том тоог анхны тооны үржвэрт задлах алгоритм нь сонгодог компьютерын хувьд бараг л боломжгүй буюу хэдэн зуун жил зарцуулагдах даалгавар юм. Харин квант компьютер Шорын алгоритмын тусламжтайгаар эдгээр тоог анхны тооны үржвэрт нь хялбархан задалснаар тухайн мэдээллийн нууц кодыг тайлах "түлхүүр"-ийг шууд олж авч байна гэсэн үг юм.

Мөн өөр нэг хүчирхэг алгоритм бол Гроверын алгоритм (Grover’s algorithm) буюу квант хайлтын алгорит. Жишээ нь, монгол хэлний цагаан толгойн өгөгдлийн сан (dataset) байхад түүнээс ямар нэгэн үсгийг олж, гаргаж авах үйлдэл нь хайлтын алгоритмын тусламжтай хийгддэг. Гэвч сонгодог алгоритмууд нь хамгийн хурдандаа O(N) хугацаа зарцуулдаг бол Гроверын алгоритм нь үүнийг O(N​) болгон хурдасгадаг. Юу гэсэн үг вэ гэвэл, танд 16 хайрцаг байлаа гэж бодъё. Хайрцаг бүрт ямар нэгэн зүйл байгаа бөгөөд зөвхөн нээж байж л доторхыг нь мэдэх боломжтой гэвэл хайж буй зүйлээ олохын тулд классик компьютероор дунджаар 8 хайрцаг нээх шаардлагатай болно. Харин Гроверын квант алгоритмоор ердөө 4 хайрцаг нээхэд л хангалттай. Хамгийн гол нь өгөгдлийн тоо (N) ихсэх тусам энэхүү ялгаа нь асар том болдог. 16 биш 64 хайрцаг байвал классик компьютер дунджаар 32 хайрцаг нээх шаардлагатай гэхэд квант компьютер 8 гэх мэт.

Түүгээр ч зогсохгүй квант компьютер нь материал судлалын салбарт шинэ төрлийн материалын шинж чанарыг загварчлахад (material simulation) асар их ач холбогдолтой юм. Энэхүү салбарыг квант симуляци (quantum simulation) гэж нэрлэдэг. Жишээлбэл, Ферми-Хаббардын загвар (Fermi-Hubbard model) зэрэг хими, физикийн квант процессуудыг тооцоолох нь сонгодог компьютеруудын хувьд асар хэцүү (хэтэрхий их нөөц шаарддаг) байдаг. Учир нь квант механик дахь тодорхойгүй шинж чанар болон бусад суперпозици төлөвүүдийг сонгодог компьютераар дуурайлган тооцоолох гэж оролдохоос илүүтэйгээр, физик механизм нь яг ижилхэн квант компьютер дээр шууд загварчлах нь хамаагүй амар байдагтай холбоотой юм. Энэхүү технологи нь цаашлаад нарийн төвөгтэй уургийн динамикийг (protein dynamics) кодчилж, Альцгеймер зэрэг өвчнийг эмчлэх шинэ эм гаргаж авахад асар их тус хүргэх боломжтой [8].

Гэвч одоогоор алгоритм гэхээсээ илүү яаж энэ квант компьютерыг бүтээх вэ гэдэг нь "bottleneck" буюу гол тулгамдаад байгаа асуудал нь болоод байгаа юм.

Ердийн компьютерийн ашигладаг хоёртын системийг бодит ертөнцөд буулгадаг зүйл нь транзистор (бит буюу 0 ба 1 төлөв нь транзистороор "гүйдэл гүйж байгаа эсвэл гүйхгүй байгаа"-гаар тодорхойлогддог)) байдаг шиг кюбитийг өөр өөр байдлаар бүтээж болдог. Цаашлаад яаж, юугаар бүтээх вэ гэдгээсээ хамаараад хэд хэдэн төрлөөр квант компьютер болон инженерчлэлийн судалгаа хийгдэж байна.

Кюбит гэдэг зүйлийг бүтээхийн тулд ерөнхийдөө энергийн хувьд ялгаатай (0 ба 1 болох) хоёр төлөв хэрэгтэй бөгөөд тэрхүү хоёр төлөвийн хооронд шилжилт хийх, түүнийгээ хэрэгжүүлээд дараа нь "уншиж" авах чадамж хэрэгтэй байдаг. Тэгээд хамгийн гол нь квант компьютер болон кюбитийг содон болгодог тэрхүү квант шинж чанаруудыг агуулсан байх ёстой байдаг байна.

Tэдгээрээс хамгийн түгээмэл нь:

Хэт дамжуулагч кюбит (Superconducting qubits): Josephson Junction гэх зүйлийг ашиглан гүйдлийн чиглэл эсвэл соронзон урсгалыг удирдах замаар 0 ба 1 төлөвийг үүсгэдэг. Энэхүү бичил хэлхээг үнэмлэхүй тэг градуст ойр хөргөснөөр цахилгаан эсэргүүцэл үгүй болж, кюбитүүд квант суперпозици төлөвт орж ажилладаг. Google, IBM, Microsoft зэрэг томоохон компаниуд өөрсдийн квант компьютерийг хөгжүүлдэг.

Сайн тал нь: Логик үйлдлүүдийг маш хурдан гүйцэтгэдэг. Ерөнхий бүтэц нь одоогийн классик компьютеруудын чиптэй их төстэй учраас инженерүүд сайн мэддэг техникүүдээ ашиглан "өргөжүүлэх" (scale up) боломжтой.

Сөрөг тал нь: Хэт дамжуулагч шинж чанар нь маш бага температурт л ажиглагддаг тул системийн ихэнх хэсэг нь маш хүйтэн температурт орших шаардлагатай байдаг. Жишээлбэл, доор оруулсан IBM-ийн квант компьютерын зурагнаас бидний өдөр тутмын хэрэглээний компьютераас хэд дахин том овортой болохыг харж болно. Үүний нэг шалтгаан нь маш нарийн, өчүүхэн (квант) түвшинд хийгдсэн үйлдлүүдийн сул дохиог (signals) гаднах орчинд алдалгүй хүргэж "томруулдаг" өсгөгчүүд (amplifier) нь өөрсдөө асар овор ихтэй байдагт оршино. Ерөнхий процесс нь квант чип -> квант өсгөгч -> криоген өсгөгч -> тасалгааны температурын электроник гэсэн дарааллаар явагддаг бөгөөд эдгээр дундаас өсгөгчүүд нь хамгийн их зай эзэлдэг байна. Мөн түүнчлэн системийг үнэмлэхүй тэг градуст ойртуулан хөргөхийн тулд асар том, нүсэр бүтэцтэй "хөргүүр" (dilution refrigerator) шаардлагатай болдог. Гэвч ийм нөхцөлийг бүрдүүлсэн ч хэт дамжуулагч кюбитүүд нь квант шинж чанараа маш хурдан алдах (decoherence) дутагдалтай байдаг аж.

Атом, молекулын хэлхээ (Atom, molecular arrays): Атомуудыг лазераар "хорьж", нарийн торлог хэлхээнд байршуулан (optical tweezers), тэдгээрийн энергийн төлөвөөр мэдээллийг кодлодог. Улмаар атомуудыг Ридбергийн өндөр энергийн төлөвт оруулж, хооронд нь хүчтэй харилцан үйлчлэл үүсгэх замаар квант логик үйлдлүүдийг гүйцэтгэдэг байна (саармаг атомын квант тооцоолол).

Сайн тал нь: Кюбитүүд нь квант шинж чанараа удаан хадгалдаг (coherence time). Энэ тал дээрээ хэт дамжуулагч кюбиттэй харьцуулахад хамаагүй алдаа багатай, хамаагүй тогтвортой ажилладаг. Мөн олон тооны атомыг торлог хэлхээнд олноор нь зэрэгцүүлэн байршуулах боломжтой тул нарийн төвөгтэй материалын шинж чанарыг дуурайлган загварчлах (квант симуляци) салбарт хамгийн өндөр үр дүнтэй байгаа юм. 2025 онд Caltech-ийн эрдэмтэд 6,100 кюбитийг ийм төрлийн торлог хэлхээнд хураан хорьж чадсан нь одоогоор дэлхийн хамгийн дээд амжилт болоод байна [9].

Сөрөг тал: Гэвч үйлдэл гүйцэтгэх хурд (gate operation speed) нь хэт дамжуулагч кюбитийг бодвол арай удаан байдаг аж.

Хэт дамжуулагч квант компьютер хийдэг хүмүүс өөрсдийнхийгөө зөв зам нь гэж үзэж, атомаар хийдэг хүмүүс нь өөрсдийнхийгөө мөн зөв гэж үзэж өрсөлдсөөр байгаа ажээ.

Тэгвэл эдгээр квант компьютер нь классик компьютерыг орлох уу? Үгүй. Классик компьютерууд хэдийн маш сайн хөгжсөн, тэгээд ч квант компьютерийн сайн тооцоолох чадах бодлогууд маш нарийн бөгөөд одоогоор цөөн ажээ. Квант компьютер нь классик компьютерийг бүрмөсөн орлох гэхээсээ илүүтэйгээр тооцож чадахгүй байгаа нарийн, ярвигтай асуудлуудыг шийдэж, хүн төрөлхтний мэдлэг, технологийн хүрээг улам тэлэх боломжтой юм.

Хэдий квант компьютерийг хэрэглэж болох салбарууд цөөхөн гэдэг ч тэдгээр салбарууд нь маш чухал салбарууд ажээ. Өмнө нь дурьдсан RSA алгоритм буюу кибер аюулгүй байдал (cybersecurity) юм. Квант компьютерийн судалгаа маш өндөр зардалтай тул одоогоор зөвхөн баян орнууд үүнийг хөгжүүлж байна. Хэрэв аль нэг улс түрүүлж бүтээвэл одоогийн бүх нууцлал (encryption) үгүй болж, асар их мэдээлэл алдагдах аюултай. Тиймээс зарим судлаачид үүнийг шинэ эриний "дижитал цөмийн бөмбөг" ч гэж нэрлэж байна.