Új idők új számítógépei

Amióta Richard Feynman 1981-ben bevezette a tudományos-technológiai köztudatba a kvantumszámítógép ötletét, szakértők és beavatatlanok folyamatosan a jövő nagy reménységét látják benne. Valahogy úgy, mint a mesterséges intelligenciában. A megvalósulást tekintve szintén hasonló prognózisok látnak napvilágot: mindig 10-15, esetleg 20 év. Egy nagyvolumenű brit kezdeményezés viszont jóval közelibb dátumot jelölt meg: akár két, de öt éven belül jöhetnek a kvantumszámításokat végző eszközök.

„Valamikor a 21. században a kvantumszámítógép ugyanúgy megváltoztathatja mindennapjainkat, mint a klasszikus komputer a 20. század végén” – nyilatkozta a 2012-es fizikai Nobel-díj átvételekor Serge Haroche és David Wineland. A bizottság a két tudós kvantumrendszerekkel végzett munkáját értékelte, azt sugallva, hogy a 21. század lesz a kvantumkor.

M az a kvantumszámítógép?

A kvantumtudománnyal atomi szint alatti világok, az anyag természetét meghatározó és irányító, egyelőre titokzatos és sokszor érthetetlen biológiai, kémiai, fizikai, anyagtudományi stb. – de elsősorban kvantummechanikai – alapelvek tárulnak fel, amelyek rendszerezett feltérképezése, megértése, a bennük rejlő potenciál kiaknázása rendkívül időigényes.

Egyelőre a kezdeteknél tartunk.

Kvantumjelenségek kutatása eddig főként makroszinten történt, elektronokra gyakorolt hatásukat, különféle anyagok speciális körülmények melletti „furcsa” viselkedését vizsgálták. A terület fejlődése az infokommunikáció egészére, elsősorban az alapokra (tranzisztorok, félvezetők, mikroprocesszorok stb.) lehet sorsdöntő hatással.

Maga a kvantumkomputer a Wikipédiás definíció szerint ezeket a jelenségeket közvetlenül használó számítási eszköz. Ilyen jelenség például a kvantum-szuperpozíció (kvantummechanikai rendszerek állapota, amikor egyidejűleg két vagy több helyzetben létezhetnek) és a kvantum-összefonódás (két akár egymástól térben távol lévő objektum kvantumállapota úgy függ össze, hogy a rendszer állapota nem írható le a részrendszerek állapotával).

Lényege, hogy míg a hagyományos komputerek bitekkel dolgoznak, és egy bit egyet vagy nullát tartalmaz, addig a kvantumszámítógép nullát, egyet vagy ezek akár végtelen számú állapotát tartalmazó kvantumbiteket (qubiteket) használ kvantum logikai kapuk manipulálásával.

A qubitekkel sokszorosára felgyorsult adatfeldolgozásnak olyan területek látnák komoly hasznát, mint például az adatbázisokban való keresés vagy a gépi tanulás, általánosságban pedig az egészségügytől az energetikáig, a biztonságig az élet szinte minden aspektusa.

Csakhogy még azt sem tudjuk, melyik a legjobb fejlesztési módszer.

Egy kis történelem

Feynman elméleti alapvetése után három évvel Charles Bennett és Gilles Brassard titkosításra használt fizikai rendszerhez dolgozott ki kvantumkulcs-elosztási módszert. 1985-ben az abszolút szaktekintély David Deutsch bebizonyította, hogy egy egyetemes kvantumszámítógép bármely problémát meg tud oldani, amelyet egy hagyományos is abszolvál.

Az évtized végén már 32,5 centire továbbítottak titkos kulcsot, 1994-ben pedig elkészült a nagy számokat kezelő első algoritmus, amivel a tudományág az elméleti spekulációtól a konkrét hasznosulás felé kezdett elmozdulni. Az első logikai kapu, majd a két kvantumbites gépen futó újabb algoritmus ugyanennek a folyamatnak a következő állomásai.

2004-ben a Harvard, a Boston Egyetem és a BBN Technologies között kvantumhálózatot létesítettek, 2011-ben a D-Wave Systems elkezdte kvantumszámítógépnek nevezett termékeit értékesíteni (sokak szerint nem azok). 2012-ben az addigi legnagyobb számfelbontással (21 = 3x7) világcsúcsot állított fel egy kvantumalgoritmus.

Közben érik a szakterület PC vagy Mac mintájú első „egyházszakadása” is: óriási a különbség a Santa Barbara Egyetem 2015-ben bemutatkozott gépe és az eddigi kivitelezések között. Korában fotonokat és csapdába ejtett ionokat használtak qubitként, a kaliforniai kutatók viszont szupervezető elektromos áramkörökben gondolkoznak, és a sikeres bemutató komoly rivalizálást vetít előre.

A NASA szintén idén alapította a Kvantum Mesterséges Intelligencia Laboratóriumot. Jennifer Hoffman vancouveri kutatónő is 2015-ben kezdett kvantumanyagokat 3D-ben nyomtató gépet fejleszteni. Bevallása szerint évekig dolgozhat rajta.

Scott Aaronson MIT-fizikus szerint azzal, hogy a Santa Barbara Egyetemen megoldották az összefonódott qubitekbe, a gép alapegységébe kódolt adatok gyakran ezredmásodpercek alatti eltűnésének problémáját, túl vagyunk a működő kvantumszámítógéphez vezető út felén. 

Egyesült Királyság, 2020

Az Egyesült Királyság kormánya 2013-ban jelentette be, hogy 270 millió fonttal támogatja a kvantumtechnológiát. A számításokra, kommunikációra, érzékelésre és képalkotásra összpontosító kutatói hálózatok két-öt éven belül a mindennapokban használható kvantumeszközökkel (láthatatlan gázokat észlelő kamerák, ultraérzékeny gravitációmérő stb.), 2020-ra pedig az akkori világ legmasszívabb kvantumszámítógépével és természetesen szuperbiztonságos kvantumhálózattal akarnak előállni.

Több problémát kell megoldaniuk hozzá.

El kell érniük, hogy a közvélemény ne egzotikumként, „bizarr valamiként”, hanem a valóságban is működő, hasznosítható technológiaként tekintsen a területre.

Két éven belül a mai kvantumeszközöket túlszárnyaló 20 qubites gépeket, 2020-ra pedig 20 ilyen gépből 400 qubites processzort terveznek. A processzor a jelenlegi szuperkomputerek által kivitelezhetetlen feladatokkal is képes lesz megbirkózni.

Mivel a gépet hálózatnak tervezik, „sejtjei” az ország különböző részein osztható szét, így a rendszer sok személy hozzáférését garantáló kvantumszámítási felhőként működne. Szerencsére laboratóriumokban több elem adott hozzá, és a komoly fejtörést okozó méretezhetőség és hibatűrés kezelésére szintén találtak ki működő megoldásokat. A hálózat egyszerűbb változata 2017-re készül el.

Az Egyesült Államok és Kína gigavállalatai és egyes kormányszervei már most is használnak hasonló hálózatokat, a britek viszont a startup-világot is be akarják vonni a projektbe.

„A fogyasztón a hangsúly” – vallják.

Hollandia követi a brit példát. A kormány júliusban tett ígérete alapján a következő tíz évben 135 millió euróval támogatja a technológiát.

Egyre többen éreztek rá, hogy óriási üzlet a kvantum-számítástudomány. A nagyteljesítményű számítógépes piac 2011-ben például megközelítette a 9 milliárd eurót. Az EU egyrészt világvezető a tudományban, de tudományos pozícióját nehezen tudja piaci előnnyé konvertálni. 2009 és 2012 között Kína például ötször annyi kvantummegoldást szabadalmaztatott, mint az EU. Az amerikai ipar és védelmi szervezetek szintén nagyon aktívak. Kína és az USA jól szemléltetik, hogy Európának ideje lenne technológiákra, termékekre és eladási mutatókra fordítani a tudományos eredményeket.