Felborul a fél világ? Mit jelent a kvantumfölény, mire számíthatunk ezután?

A Google bejelentette, hogy elérte a kvantumfölényt, azaz olyan kvantumszámítógépet építettek, amely meghaladja a klasszikus számítástechnika legfelső határait. Hogy valami fontos előrelépésről van szó, azt mindenki érzi, de hogy pontosan mit is jelent és milyen következményekkel járhat, az némi magyarázatra szorulhat. Íme a közérthető válasz.

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.

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.

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.

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 mikroszlópikus 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 le kapcsolt 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 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.

(hvg.hu)