A tudomány évtizedek óta vár az első igazi kvantumszámítógépre, amely földcsuszamlást indíthat el a számítástechnikában. Alapvetően megváltoztathatja a gépi problémamegoldást, feltörhet minden kódot, tönkreteheti a bankokat és olyan kérdésekre adhat választ amelyeket még fel sem tettünk – szólnak a jóslatok. Így érthető, hogy a Google bejelentésére mozgolódni kezdett a tudományos élet.

A Financial Times újságírói még szeptemberben fedezték fel “véletlenül” a NASA egyik szerverén azt a Google-kutatók által írt tudományos cikket, amely októberben végül az egyik legrangosabb tudományos folyóirat, a Nature címlapján landolt. A cikk állítása szerint a Google-nek sikerült olyan kvantumszámítógépet építenie, amely 53 kvantumbit segítségével olyan problémát oldott meg körülbelül 3 perc alatt, amelyhez a jelenlegi leggyorsabb szuperszámítógépnek több mint 10 ezer évre lenne szüksége. Így a kutatók saját bevallásuk szerint elérték a kvantumfölényt.

Superman, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem szuperszámítógépe

MTI

Kvantumszámítógépek ugyan már léteznek, de még viszonylag gyerekcipőben járnak. A szóban forgó kvantumfölény jelképezné a hagyományos számítástechnika utáni korszakot. Akkor érhető el, amikor egy kvantumszámítógép megold egy olyan problémát, amelyre egy hagyományos számítógép képtelen. A kvantumfölény kvalifikációját lazán értelmezte a Google, mert olyan számítást végeztek, amely jelenleg is üzemelő, klasszikus számítógéppel is megoldható, viszont az értelmetlenül hosszú időnek tekinthető 10 ezer év alatt. Ha ennyi időre van szüksége egy klasszikus számítógépnek a megoldáshoz, akkor jogosan mondhatjuk, hogy gyakorlatilag nem képes rá, azaz beléphetünk a kvantumkorszakba.

Az IBM kutatói nagyon magasra húzták a szemöldöküket a hír hallatán. Nem csoda, hiszen az összehasonlítás alapja, a Google Sycamore által lekörözött, tízezer évig töprengő szuperszámítógép nem más, mint az IBM Summit. Utóbbi építői először azt kritizálták, hogy a kvantumfölény szigorúbb megfogalmazását nem teljesíti a Sycamore, majd azt, hogy erős túlzás 10 ezer éves futásidőt jósolni a Summitnak: az IBM kutatói maguk is megbecsülték, és szerintük a szóban forgó problémát az ő szuperszámítógépük két és fél nap alatt megoldja, így túlzás azt állítani, hogy a percek és a napok közötti különbség igazi paradigmaváltás lenne. Érdemes hozzátenni, hogy a Summit a világ leggyorsabb szuperszámítógépe, melynek több tízezer processzora két focipályát foglal el, és képes másodpercenként több mint 10¹⁷ művelet elvégzésére, tehát nem feltétlenül nevezhető hagyományos számítógépnek. Ettől függetlenül tény, hogy klasszikus elveken működik.

IBM Summit szuperszámítógép

Oak Ridge Nemzeti Laboratórium

A bejelentés legellentmondásosabb része viszont nem az idő, hanem az, hogy milyen problémákat oldanak meg a kvantumszámítógépek. Azok a komputerek, amelyek jelenleg okostelefonokban, okosórákban vagy épp szuperszámítógépekben teljesítenek szolgálatot, rendkívül sokoldalúak, szinte bármire használhatók. Képesek klímamodellezésre, elintézik a banki tranzakciókat, feldolgozzák a lépésszámlálók adatait vagy épp dinoszauroszokat rajzolnak a mozivászonra. A kvantumszámítógépek viszont alig néhány feladatot képesek megoldani, csak nagyon specifikus számításokat, szigorúan szabályzott körülmények között. Univerzális feladatmegoldási képességük rendkívül gyenge, azt sem feltétlenül képesek megoldani, hogy mennyi 1+1.

De nem is feladatuk ez, hiszen erre most még ott vannak az univerzális klasszikus számítógépek, melyek rendkívül jól működnek a legtöbb probléma megoldásában. A kvantumszámítógépek ereje azon feladatok megoldásában rejlik, amelyre a klasszikus számítógépek soha sem lesznek alkalmasak. Ilyenek lehetnek fizikai, kémiai kutatások, gyógyszeripari modellezések, bonyolult pénzügyi folyamatok elemzése és rengeteg optimalizációs probléma. Pont emiatt alkotta meg a kvantumfölény kifejezést John Prescott elméleti fizikus 2012-ben, mint egy képzeletbeli határt, amelyen átlépve a kvantumszámítógépek már tényleg képesek olyan számításokat végezni, amelyeket a klasszikusok nem, megnyitva egy teljesen új ajtót a számítástechnikában.

Az egyik leghíresebb probléma, amibe beletörik a klasszikus számítógépek foga, az “utazó ügynök problémája” a következő: az utazó ügynöknek adott számú várost kell meglátogatnia, majd visszajutnia a kezdőpontba. Tudja az összes város távolságát egymástól, célja, hogy minél gyorsabban és olcsóbban utazzon, így próbálja kiszámolni, hogy melyik út lesz a lehető legrövidebb. 4-5 város esetében ez még könnyű feladat, kipróbálgathatja egyenként a lehetséges kombinációkat, majd azokat összehasonlítgatva megtalálja a legrövidebbet. Viszont már 20 város esetében is több mint 10¹⁶ lehetséges útvonal van, amelyeket egyenként kell összehasonlítgatnia a számítógépeknek. Egy kvantumszámítógéppel nagyságrendekkel felgyorsítható a számítás – főleg ha még több településsel kell számolni –, amelynek elvégzésére belátható időn belül a klasszikus gépek képtelenek.

Google AI Quantum

A kvantumszámítógép titka az, hogy nem bitekkel dolgoznak – ezek a számítástechnika legalapvetőbb építőkockái –, hanem kvantumbitekkel, qubitekkel (vagy kubitekkel), melyek teljesen más fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek.

A hagyományos bitek alapvetően apró kétállású kapcsolók: fel vagy le, van áram vagy nincs áram, 1 vagy 0. A számítógépek milliárd és milliárd apró kapcsolót kapcsolgatnak elképesztő tempóban, így végeznek számításokat.

A qubitek viszont felrúgják a kapcsolás alapvető szabályát, miszerint valami vagy be van kapcsolva vagy ki. A mikroszkopikus világban a részecskék kvantumtulajdonságokkal is rendelkeznek, melyek egyike, hogy egy rendszer egyidőben két állapotban, de leginkább azok keverékében lehet egyszerre, azaz egy kapcsoló lehet fel **és** lekapcsolt állapotban egyszerre: ez a szuperpozíció, erről szól Schrödinger tanmeséje a macskáról, aki egyszerre él és halott, attól függően, hogy megfigyeli-e valaki állapotát.

Pixabay / geralt

Egy qubit a fel- és lekapcsolt állapot között számtalan más értéket felvehet, különböző valószínűségekkel arról, hogy épp melyik lehet. Ez a tudományág szakértőinek világán túl elég megfoghatatlannak tűnik, a lényeg esetünkben annyi, hogy így is lehet velük logikai műveleteket végezni. A kvantumszámítástechnika másik alappillére pedig az összefonódás: két kvantummechanikai állapot képes úgy összefonódni, hogy azok állapota egymásétól függ – ráadásul attól függetlenül, milyen messzire távolítjuk őket egymástól.

A szuperpozíciót és a kvantumösszefonódást kihasználó qubitek a számítási teljesítményt elméletileg minden egyes hozzáadott qubittel exponenciálisan növelik, az 53 qubit felveszi a versenyt a két focipályányi klasszikus szuperszámítógéppel (azon az egy specifikus feladaton), de ha a jövőben 60 qubites rendszert épít a Google, akkor az már 33 Summital venné fel a versenyt.

Google

De már 53 qubit összehozása is szinte emberfeletti feladat volt. A rendszer fénytől teljesen elzártan, vákuumban, az űrnél is hidegebb, millikelvines hőmérsékleten, azaz -273 Celsius-fok alatti kamrában működik, és még így is csak rövid ideig. A qubiteket ugyanis a legkisebb külső világból érkező inger is “megzavarja”, és visszabillenti klasszikus bitté, azaz olyan "formátumba", melyben már csak 0 vagy 1 állapotot vehetnek fel a 0 és 1 helyett.

A számítástechnikai fejlődés csavart labdája, hogy a klasszikus számítógépek idővel egyre kisebb helyet foglaltak el, de már a mikroszkópikus méretekkel kacérkodnak. Ezáltal lassan már egy fizikai határvonatlhoz érünk: a tranzisztorokat már nem sokáig lehet tovább kicsinyíteni, mert abban a mérettartományban pont azok a kvantumfizikai jelenségek kezdenek előjönni és szabotálják a klasszikus számítógépek működését, melyeken a kvantumszámítástechnika alapszik.

Az egyik amerikai elnökjelölt, Andrew Yang a Google bejelentése után baljósan kijelentette, hogy beköszöntött a kvantumkorszak, nincsenek többé feltörhetetlen kódok. Ugyan a jelenlegi legelterjedtebb titkosítási eljárás – ami például banki tranzakciókat is védi – elméletben valóban feltörhető lehet kvantumszámítógépekkel, ettől egyáltalán nem kell félnünk, ez egyelőre elérhetetlenül messze van. A Google eredménye lenyűgöző, de nem szabad rá úgy tekinteni, hogy holnaptól minden megváltozhat körülöttünk. A kvantumfölény kifejezés tehát némileg félreértelmezhető:

a győzelem nem a kvantumszámítógépeké a klasszikusokkal szemben, hanem a miénk, saját magunkkal szemben, hiszen hamarosan egy teljesen új eszköz áll rendelkezésünkre olyan problémák megoldására, amelyekre eddig nem volt mód.

Ha értesülni szeretne a fejleményekről, lájkolja a HVG Tech rovatának Facebook-oldalát.