Нещодавно Наукова рада Національного фонду досліджень України затвердила рейтингові списки проєктів-учасників конкурсу «Передова наука в Україні 2026-2028». Цьогоріч 10 досліджень науковців Львівського національного університету імені Івана Франка стали переможцями відповідного конкурсу і отримають фінансування на три роки. У серії публікацій ми розповімо про кожен із них детальніше, окреслимо мету та внесок в українську науку. Й головне – поділимося думками людей, які стоять за цими інноваціями.
Серед проєктів – дослідження «Квантові обчислення властивостей класичних та релятивістських систем у просторах зі складною структурою», у якому фундаментальні фізичні теорії та мова математики у поєднанні з експериментом на квантових комп’ютерах творять можливості розвитку нових обчислювальних підходів та дозволяють заглибитись у пізнання квантового світу.
До команди, яка працює над проєктом входять 6 науковців: керівник – завідувач кафедри теоретичної фізики імені професора Івана Вакарчука Володимир Ткачук, доцент кафедри теоретичної фізики імені професора Івана Вакарчука Микола Самар, доцент кафедри теоретичної фізики імені професора Івана Вакарчука Андрій Кузьмак, аспірант Інституту фізики конденсованих систем імені І.Р. Юхновського НАН України Петро Сапріянчук, доцентка кафедри прикладної фізики і наноматеріалознавства Ганна Лаба та асистент кафедри теоретичної фізики імені професора Івана Вакарчука Святослав Тимик.
Команда працює в галузі квантової інформації – напрямі, що присвячений вивченню сучасних проблем та задач квантової інформації і квантового програмування, передбачає роботу з квантовими алгоритмами та розв’язання фундаментальних проблем квантової механіки.
Про передісторію та ідею проєкту розповів завідувач кафедри теоретичної фізики імені професора Івана Вакарчука Володимир Ткачук. «На кафедрі ми почали системно займатися цією тематикою приблизно 25-30 років тому. Тоді аспіранти Олекса Возняк, Святослав Вакарчук, згодом Володимир Бабін і Василь Ковальчук звернули увагу на перші наукові публікації з квантової телепортації. Це був час, коли тема лише зароджувалася, відтак ми не одразу поставилися до цього серйозно. Але, коли почали разом аналізувати ці роботи, обговорювати ідеї, то зрозуміли, що напрям – дуже перспективний і цікавий. Тож саме з того аспірантського зацікавлення виросла дослідницька школа, яку ми маємо сьогодні», – зазначив Володимир Ткачук і пригадав подальше заглиблення колективу кафедри у вивчення нового напряму: участь у конференціях з квантової інформації, напрацювання міжнародних контактів, щорічні зустрічі у Верхньому Синьовидному, ініційовані тодішнім завідувачем кафедри професором Іваном Вакарчуком, де формувалося зацікавлене наукове середовище і поступово визрівала команда.
Учасники команди зазначають, що за час роботи над темою, неодноразово подавали на конкурси проєкти, інколи успішно, інколи – ні. Відтак, стверджують, що здобуття фінансування Національного фонду досліджень України – це логічне продовження довгого шляху, а не випадковий результат. «Проєкт охоплює як аналітичні дослідження, так і роботу з квантовими комп’ютерами. Насправді сучасні квантові комп’ютери ще не досягли рівня, на якому можна говорити про стабільну й повноцінну квантову перевагу. Тому аналітичні методи залишаються надзвичайно важливими, саме з ними ми і працюємо. Фактично, ми створюємо задачі, які будуть вирішувати певні актуальні, затребувані проблеми, на розв’язання яких класичному комп’ютеру потрібні сотні років обчислення. Тож ми робимо аналітичні розрахунки і продумуємо алгоритми, а потім запускаємо їх на квантовому комп’ютері і перевіряємо, чи може він їх вирішити. Тому квантовий комп’ютер у нашому випадку виконує роль експерименту, у якому ми тестуємо свої ідеї», – зазначають науковці.
Як пояснює професор Володимир Ткачук, квантовий комп’ютер живе за правилами квантової механіки: у ньому присутні суперпозиція, квантова заплутаність, специфіка вимірювання – усе те, чого не існує в класичній фізиці, у тому світі, який ми знаємо, який нам знайомий. Саме тому квантовий комп’ютер є унікальним інструментом для дослідження фундаментальних квантових явищ.
«Відомою є фраза одного з творців квантової електродинаміки Річарда Фейнмана про те, що «ніхто не розуміє квантової механіки». Цю фразу нерідко цитують вирваною з контексту, хоча насправді вона має глибокий зміст і потребує правильного тлумачення. Йдеться не лише про нерозуміння у буквальному сенсі, а про неможливість емпірично осягнути квантовий світ через його фундаментальну відмінність від нашої класичної картини реальності. Саме ця відмінність і робить квантову механіку настільки складною, водночас захопливою та плідною для досліджень. Ми не можемо побачити квантовий світ, торкнутися його, унаочнити і зрозуміти. Натомість, використовуючи математику як окрему мову, ми намагаємось вивчити те, що він нам пропонує і застосовувати ці знання для вирішення важливих наукових задач», – пояснює Володимир Ткачук.
Також окрім реальних квантових комп’ютерів, важливу роль у роботі відіграють симулятори – програмні пакети, які дозволяють імітувати роботу квантових алгоритмів на класичних комп’ютерах для невеликих систем. Це дає змогу протестувати код, перевірити ідею, а вже потім запускати обчислення на реальному квантовому пристрої, де обчислювальний час обмежений і дорогий.
Науковці розповідають, що в окремих випадках вже стикалися з ситуацією, коли класичний симулятор не міг впоратися з обчисленнями через надмірну складність задачі, тоді як квантовий комп’ютер дозволяв отримати відповідний результат. У таких випадках можна говорити про «майже» квантову перевагу – ситуацію, коли квантовий підхід демонструє реальні переваги над навіть найпотужнішим класичним, хоча ще потребує додаткової перевірки та обґрунтування. Саме над створенням таких задач і їхнім подальшим «тестуванням» працюють вчені.
Одним із важливих напрямів, окрім розв’язання проблем квантової механіки, є задачі оптимізації, метою яких є пошук найкращого (оптимального) розв’язку серед усіх можливих, що дозволяє досягти заданої цілі, мінімізуючи витрати чи максимізуючи вигоду. «Оптимізаційні задачі виникають усюди – від фундаментальної науки до повсякденного планування. Такі задачі значно ефективніше вирішувати саме завдяки квантовим комп’ютерам, хоча для того, аби робити це максимально якісно нам ще потрібен технологічний прорив. Бо основні труднощі в роботі виникають не так через невелику кількість квантових бітів на квантових комп’ютерах, як через брак часу когерентності під час проведення самого дослідження – періоду, протягом якого квантовий стан на комп’ютері зберігається без значних помилок», – розповідає Володимир Ткачук, водночас наголошуючи, що в будь-якому випадку квантові комп’ютери відкривають нові можливості для обчислення статистичних сум фізичних систем, які є основою статистичної механіки та багатьох інших властивостей квантових систем.
Тож результати таких досліджень мають потенціал стати підґрунтям для подальших міждисциплінарних досліджень і практичних застосувань у сфері квантових технологій. До того ж багаторічні наукові пошуки в галузі квантової інформації дозволили відкрити на кафедрі у 2020 році нову освітню програму «Квантові комп’ютери та квантове програмування».
Вітаємо науковців з перемогою у конкурсі та бажаємо натхненної наукової роботи, спрямованої як на пізнання квантового світу та на пошук нових обчислювальних можливостей, які відкриває квантова інформація.