Hol vannak a kvantumszámítógépek?

A felfedezés sokat lendíthet a kvantumszámítógépek fejlesztésén

A Google és a NASA kvantumchipeket és saját gépeket gyártana mesterséges intelligencia kutatáshoz, a Microsoft pedig hibamentes kvantum-számítástechnikát ígér.

“A D-Wave a első, forgalomban is kapható kvantumszámítógép a világon” - a többi között ez a kijelentés igyekezett meggyőzni a meglehetősen szűk vásárlóréteget arról, hogy beruházzanak egyre. A Google, a NASA és az USRA (Egyetemi Űrkutatási Szövetség) közösen ruházott be egyre. A gép méretei az évtizedekkel ezelőtti ősszámítógépeket idézik, amikor azok még egész termeket foglaltak el. A D-Wave esetében viszont nem a túl sok alkatrész nem fér el, hanem pont, hogy a túl kevésnek kell jókora tér.

Több mint fél siker

Sok kutató máig kételkedik abban, hogy a D-Wave valódi kvantumszámítógép lenne. Abban viszont többé-kevésbé egyetértenek, hogy rendelkezik azért néhány kvantumtulajdonsággal, amelyek ígéretesek lehetnek a jövőben. Az első nyilvános tesztek csalódást okoztak, hiszen a fekete óriáskocka alapvetően nem képes nagyobb sebességre, mint a hagyományos számítógépek, és csupán egyetlen feladatot sikerült rövidebb idő alatt megoldania mint klasszikus társainak - azt viszont 3600-szor gyorsabban.

Masszív elektronika a kvantumbitek szolgálatában Forrás: D-Wave

A kvantumszámítógépek manapság hátrányos helyzetből indulnak, mivel olyan kép alakult ki róluk, hogy segítségükkel nagyságrendekkel gyorsabbak és kisebbek lesznek a számítógépek, sőt idővel le is cserélik a hagyományosakat. Pedig korántsem ez a helyzet. Ezek a gépek alapvetően teljesen más problémák megoldására alkalmazhatóak, olyanokra, amelyeket a hagyományos számítógépek képtelenek - belátható idő alatt - megoldani. Ez azzal is együtt jár, hogy nem képesek viszont olyan feladatok megoldására, amelyet elődeik már most is megbízhatóan végrehajtanak. A hagyományos számítógép-kvantumszámítógép tehát nem úgy viszonyul egymáshoz mint egy csavarhúzó és egy csavarhúzógép, hanem úgy mint egy kalapács és egy csavarhúzógép. A csavarhúzógép nem üti be gyorsabban a szöget a falba, mint a kalapács, így nem meglepő, hogy egy kvantumszámítógép nem remekel, ha klasszikus problémával áll szemben.

A legrövidebb út

A kvantumszámítógépek tehát egyelőre várják az új kihívásokat. A D-Wave elsődleges célja például az optimalizáció. Ez azt jelenti, hogy olyan feladatokat kellene megoldania mint például az utazó ügynök problémája. Eszerint ha adottak a távolságok különböző városok között, akkor kiszámítható az ügynök számára a legrövidebb (tehát legolcsóbb) út, amely minden várost érint, majd visszamegy a kiindulópontba. Ezt egy klasszikus számítógép például úgy tudja megoldani, hogy minden egyes komplett útiterv-kombinációt elemez, majd megpróbálja kiválasztani azok közül a legrövidebbet.

Mivel a kombinációk száma elképesztően nagy, így már nem túl nagy számú város esetén is rettentő hosszú időbe telik egy ilyen számítás. Kvantumszámítógépek esetén viszont teljesen más a helyzet, merőben új módszerrel gyürkőznek neki a problémának, képesek több feladatot egyszerre megoldani.

Minden kód feltörhető

Alapvető kvantuminformatikai probléma a titkosítás alappillére, a prímfelbontás is. Ez egy olyan művelet, amikor egy számhoz megpróbálják megkeresni azokat a prímszámokat, amelyekből az összeszorozható. 21 prímekre bontva például 3x7. Ha viszont 7561982345789-ről van szó, akkor elég nehéz ránézésre megmondani, hogy mely prímeket kellene összeszorozni. Klasszikus számítógépeknek egy hosszabb szám prímfelbontása több száz évet vesz igénybe, emiatt használják is titkosításra, feltételezve, hogy a tolvajnak nincs ennyi ideje.

Ekkor a titkosításnál két nagy prím szám szorzatából lesz egy rettentő hosszú szám, amely nyilvános, a titkos kód pedig maga a két prímszám. Csak egy megoldás van és elvileg a hosszú számból bárki visszafejthetné a két prímszámot - amellyel birtokába kerülne a kulcs - de ez mivel több száz évbe telik, így nem sok esély van rá. Ez az RSA-nak nevezett nyílt kulcsú titkosító algoritmus jelenleg is széleskörűen elterjedt például internetes vásárlásoknál, jól is működik addig, amíg nincs valódi kvantumszámítógép.

A kvantumszámítógépek képesek lesznek feltörni az internetes vásárlásokhoz használt kódolást Forrás: AFP

A kvantumszámítógépek ugyanis képesek egyszerre több műveletet végezni és a kvantumfizika szokatlan jelenségeinek köszönhetően alapvetően teljesen más számolási algoritmusokat használni - kicsavarozzák a csavart, amelynek kalapáccsal álltunk neki. Ennek köszönhetően a prímfelbontáshoz szükséges idő nagyságrendekkel lecsökkenehet és egy RSA-kód fél kézzel feltörhető. Egy működőképes, kódfejtésre specializálódott valódi kvantumszámítógép igazi tolvajkulcs lenne, amely minden RSA-kódot feltörhet - ez a hagyományos titkosítás végét jelenthetné. A D-Wave viszont erre nem képes.

Újra szobaméretű a számítógép

A kvantumszámítógép építés viszont roppant nehéz. A csak félig kvantum D-Wave fekete doboza is -273 Celsius közeli hőmérsékleten üzemel és azért foglal el egy kisebb szobát, mert a qubitek rendkívül törékenyek. Ahhoz, hogy tényleg a kvantummechanika szabályait kövessék, fontos, hogy semmivel se érintkezzenek, amely megzavarhatná azt. Egyetlen véletlenül odatévedő részecske már megbonthatja az egyensúlyt és a számításnak annyi. A qubiteket ráadásul egymástól is távol kell tartani, ezért van szükség jókora távolságokra. A D-Wave ugyan kvantumszámítógépnek mondható, mégsem rendelkezik a fent vázolt kvantumtulajdonságok mindegyikével, inkább úgy működik mint egy kvantumszámítógépet szimuláló hagyományos számítógép. Egyelőre nem képes teljesen kihasználni a kvantummechanika minden előnyét, így inkább csak egy első bálozónak tekinthető a kvantumszámítógépek sorában - a forgalomban kaphatók között viszont tagadhatatlanul az első.

Szuperpozíció

A Google-NASA-USRA hármas által alapított Kvantum Mesterséges Intelligencia Laboratórium (QuAIL) még csak épphogy ismerkedik a D-Wave Two-val, nemrég bejelentették, hogy terveik között szerepel saját kvantumchipek gyártása is. A saját készítésű hardverek célja, hogy sikerüljön kvantum-számítástechnikai módszerekkel megoldani a gépi tanulás problémáit és új szintre emelni a mesterséges intelligencia kutatást. De itt sem állnak meg és pár nappal ezelőtt azt is bejelentették, hogy felvették a kvantuminformatikában igazi nagyágyúnak számító John Martinis-t és csapatát is, hogy még egy szálat indítsanak a kvantuminformatikai kutatásaikban. Martinis és csoportja a technológiához elengedhetetlen szupravezető áramköröket kutatja.

A D-Wave csak az első lépés Forrás: D-Wave

A Microsoft saját kutatócsoportja, a Research Station Q majdnem 10 éve foglalkozik kvantumszámítógépek fejlesztésével, de ők nem elégednek meg egy D-Wave-hez hasonló félmegoldással. Topologikus kvantumszámítógépet fejlesztenek, ahol nem csapdába zárt részecskék, hanem egymás köré csavart úgynevezett kvázirészecskék jelentenék a qubiteket. Ezek nem valódi részecskék, csak egy szerkezeti tulajdonság (mint például egy csomó) megtestesüléseinek tekinthetőek, így rugalmasabban kezelhetőek mint valódi társaik. Az eltérő módszer legnagyobb előnye, hogy stabilabb, kevesebb hibával kellene megbirkóznia mint más kvantumszámítógépeknek. Hátránya, hogy működő prototípus még nem létezik. Amelyik csoportnak elsőként sikerül valódi kvantumszámítógépet gyártania, az monopóliumot szerezhet a számítógépes titkosítás felett.

A valódi kvantumszámítógépek feltehetőleg először csak a tudományos kutatóintézetek és a Google és Microsoft méretű vállalatok tulajdonában lesznek először hasznosítva, ahol - a titkosítás mellett - remélhetőleg olyan klasszikusan megoldhatatlan problémákon dolgoznak majd, amelyekkel most a szuperszámítógépek és a több száz számítógépből álló gridek sem boldogulnak: klímamodellezés, fehérjék feltekeredése, kvantumfizikai rendszerek szimulálása, vagy mesterséges intelligenciák fejlesztése.