Számítástudomány 2020-ban

Merész dologra vállalkozott a Nature, a rangos tudományos hetilap: terjedelmes összeállítást közölt arról, milyen helyzetben lesz a számítástudomány 2020-ban. Az egyre növekvő adatáradat és a rendszerszintű tudomány egyaránt támaszt igényeket a hardver, szoftver, algoritmusok és az elmélet területén. 2020-ra ennek több következménye lesz, de az már ma is látható, hogy az internet sebessége nem tart lépést az adatmennyiség bővülésével. A megosztott számítások viszont új, megoldandó kérdéseket vetnek fel a biztonságot, a szabad hozzáférést és a költségviselést illetően.

A Nature összeállításának szerkesztői bevezetője erős felütéssel kezdődik: az adatáradat további rohamos növekedésének példájaként a 2010-es években működésbe lépő LSST-teleszkópot (Large Synoptic Survey Telescope) említi. Ezzel olyan tempóban mérik fel az égboltot, hogy egyetlen éjszaka alatt 30 terabájt információt gyűjt össze a rendszer, és ez így megy majd napról-napra, évről évre.

Azonnal érzékelhető, hogy egy ilyen adathalmaz kezelése a maitól eltérő megoldásokat igényel. A szerkesztő ennél is fontosabbnak tartja, hogy mindenütt - és nem csupán egy ilyen különleges eszköz környezetében - lehetőség lesz hatalmas adatmennyiséget összegyűjteni és feldolgozni. Érzékelők serege gyűjthet a történésekkel egyidejűleg adatokat a környezetről vagy az emberi testről. Hatalmas adatbankokban lehet összefüggéseket keresni, feltevéseket ellenőrizni.

A természettudósoknak a jövőben éppoly fontos lesz a számítástudomány, mint korábban a matematika, és ebben is jártasnak kell lenniük. Másrészt a természettudósok ötleteikkel, igényeikkel kihívást intéznek a számítógépiparhoz. A world-wide-web a genfi részecskefizikai laboratóriumban, a CERN-ben született meg a szakemberek közti kommunikáció elősegítésére, mára pedig az élet minden területére behatolt. Az alábbiakban részletesen ismertetjük a Nature-ben megjelent tanulmányokat.

Kvantumszámítógép

Néhány éve még távoli, bizonytalan lehetőségnek tűnt a kvantumszámítógép megalkotása. Philip Ball, a Nature szerkesztője olyan szakértőket idéz, akik szerint 2020-ra már készülhetnek használható kvantumszámítógépek. Mind a gépek elméletében, mind a gyakorlati megvalósításban jelentős előrehaladás történt. Valószínűleg nem váltják le a mai gépeket, csak néhány különleges területen alkalmazzák majd őket. Forradalmi újdonságot hozhat, hogy segítségükkel más kvantumrendszereket lehet majd szimulálni. Kvantum-szimulátorban leírhatjuk és megjósolhatjuk molekulák és anyagok szerkezetét, viselkedését - a kvantumszámítógéppel elsőként vegyészek, az anyagtudomány szakemberei és biológusok dolgoznak majd. A fizikusok például a magas hőmérsékletű szupravezetést modellezhetik.

Ma kettes számrendszerben tároljuk az információt, a bit számértéke 0 vagy 1 lehet. A kvantumszámítógépben a "qubit" az egység, ez a 0 és az 1 között minden értéket felvehet, ezeknek a szuperpozíciója. Az információt mikroszkopikus rendszer, pl. egy atom vagy egy ion elektronállapotai őrzik. A kvantumvilág egyik különös jelensége az összecsatolódás, ennek köszönhetően a qubitek között kapcsolat van, függnek egymástól. Az egyik qubit állapotának megmérése (kiolvasása) azonnal hatással van a vele összecsatolódott másik qubitre.

A kvantumvilág fantasztikus lehetőségeket kínál, de az akadályok is nagyok. A kvantumszuperpozíció addig marad stabil, míg nem hat kölcsön a környezetével. Ezért a kvantumrendszert nagyon alacsony hőmérsékletre hűtik le, óvni kell a szórt elektromágneses terektől is. Gyakorlati tapasztalat szerint ilyen védőintézkedések mellett is mindössze néhány másodpercig tartható csak fenn a qubitek állapota. A zavartalan működéshez tehát el kell szigetelnünk a kvantumrendszert a környezetétől, viszont az adatok bevitele és az eredmények kiolvasása csak a környezetből történhet. Erre az ellentmondásra egyelőre még nincs megoldás.

2002-re fő vonalaiban tisztázódott a kvantumszámítógépek elméleti háttere, a gyakorlati megoldás azonban még bizonytalan. Jelenleg elsősorban csapdába ejtett atomokkal vagy ionokkal kísérleteznek. A qubiteket az ionok elektronállapotai hordozzák, az összecsatolt állapotot lézerrel hozzák létre. Az eredmény kiolvasása szintén lézerrel történik. Mások csapdába ejtett ionok helyett semleges atomokkal kísérleteznek; az atomok közti kölcsönhatás gyengébb, de a környezettel is kevésbé hatnak kölcsön. Lézernyalábokkal atomok százait lehet rácsba rendezni, köztük is lehet összecsatolódott állapotokat teremteni. Szupravezető eszközre alapozott kvantumszámítógépen is gondolkodnak (a szupravezetés maga is kvantumjelenség). Optikai megoldás is elképzelhető, ebben a fotonok kvantumállapotai hordozzák az információt. A félvezető anyagokon létrehozott "kvantumpöttyökből" könnyebbnek tűnik nagyobb számítógép építése, a környezettel is egyszerűbb ezeket összekötni.

Egyelőre kevés kvantumszámítógépeknek való feladatot dolgoztak ki. A nagy számok prímszámokra bontását nagyságrendekkel gyorsabban végezheti el egy kvantumszámítógép, mint a mai gépek. Ez a matematikai feladat meghatározó az információk titkosításában és a fordított feladatban, a kódfeltörésben. Mások a nagy adatbázisokban való keresésre dolgoztak ki algoritmust kvantumszámítógépek számára.
A szakértők egyetértenek abban, hogy először nem általános felhasználású, hanem célgépek lesznek a kvantumszámítógépek. Lehetséges persze, hogy már a közeljövőben játékprogramokat is futtatunk rajtuk.