Mélyhűtött fölény

A Google azt állítja, hogy sikerült áttörést elérnie a kvantumszámítógép fejlesztésében. A Sycamore 53 kvantumbites (qubites) processzora segítségével kétszáz másodperc alatt elvégzett számításhoz a világ legnagyobb teljesítményű szuperszámítógépének tízezer évre lett volna szüksége! Ezzel úgy tűnik, léptünk egyet a kvantumfölénynek nevezett jelenség felé.

Nevéből adódóan a kvantumszámítógép kvantummechanikai jelenségeket használ számításaihoz. Teszi ezt elvileg olyan hatékonyan, olyan sebességgel, amelyre a hagyományos, digitális számítógépek gyakorlatilag alkalmatlanok.

Az ötlet egyetlen szépséghibája, hogy működőképes, sokrétű feladat elvégzésére alkalmas kvantumos eszköz eddig nem készült. Ezen olyan nagyon ne búslakodjunk, hiszen a kvantumszámítógép ötlete alig negyven éve merült fel: Paul Benioff amerikai fizikus 1980-ban vetette fel, hogy a kvantummechanikát számításokra is lehetne használni.

A következő évben Richard Feynman Nobel-díjas amerikai fizikus megalkotta a kvantumszámítógép kifejezést, 1985-ben az angliai Oxfordban dolgozó David Deutsch pedig leírta, hogyan működne egy ilyen berendezés.

A kvantumfölény kifejezést John Prescott 2012-ben ötlötte ki. Ezen olyan határt értett a fizikus, amelyen átlépve a kvantumszámítógépek már olyan számításokra képesek, amilyenekre a klasszikusok valós időben nem. Az elmúlt évtizedekben apróbb eredmények születtek, de igazi áttörésről nem érkezett hír, ezért hökkent meg a tudományos közvélemény a Google október végi bejelentésén.

A ma használt modern számítógépek modelljét Neumann János 1945-ben alkotta meg. Ezek a berendezések kettes számrendszerben dolgoznak, azaz minden adat (információ) két jel, a 0 és az 1 kombinációjából áll. A számítógépek sok milliárd ilyen kombinációt használnak elképesztő tempóban, így végeznek számításokat. A kvantumszámítógépek alapegységeinél, a qubiteknél nem ilyen éles a határ. Egy qubit az előbb említett 0 és 1 állapot mellett számtalan más értéket felvehet. Bármilyen hihetetlen, így is lehet velük számolni.

– Úgy tűnt, mintha a kvantumfizika jelenségeinél másként futna az idő. Richard Feynman és mások arra figyeltek fel, hogy bizonyos kvantumfizikai jelenségek számítógépekkel nem szimulálhatók viszonylag rövid időn belül, miközben a klasszikus fizika folyamatait hagyományos számítógépek is képesek jól modellezni. Informatikusok arra gondoltak, hogy a hagyományos számítógép által elvégzett feladatot egy kvantumszámítógép jóval rövidebb idő alatt megoldhatná – mondja Rónyai Lajos, a Számítástechnikai és Automatizálási Kutatóintézet (SZTAKI) akadémikusa, egyetemi tanár.

A szakemberek a lehetőségtől lelkesedve kidolgozták a kvantumszámítógépek elvi modelljét. Menet közben derült ki, ha sikerülne tökéletesen megvalósítani az elképzelést, akkor olyan feladatokat is megoldhatnánk, amelyeket hagyományos gépekkel nem. Az akadémikus példaként több száz jegyű egész szám prímszámok szorzatára való felbontását említette. Ez igen nehéz feladat, amelyre jelenleg nem létezik hatékony algoritmus, ám ezt elvileg a kvantumszámítógép megoldhatná. De miért kellene felbontani prímszámok szorzatára az előbb említett bődületesen nagy számot? Mi ennek az értelme? Az, hogy a titkosító algoritmusok egy része ilyen felbontáson alapul.

A qubitek a számítási teljesítményt elméletileg minden egyes hozzáadott qubittel exponenciálisan növelik – olvasható a hvg.hu-n –, a Google által kreált, Sycamore nevű, 53 qubitos eszköz pariban van az IBM szuperszámítógépével, az IBM Summittal. Egy 60 qubites rendszer 33 Summittal venné fel a versenyt. Azért a Summit a mérce, mert ez a világ leggyorsabb hagyományos elven működő szuperszámítógépe, több tízezer processzora két focipályát foglal el, és másodpercenként elképesztő mennyiségű művelet elvégzésére képes.

Az IBM kutatói tehát jogosan hökkentek meg a bejelentésen, hiszen a Google közleményében emlegetett szuperszámítógép a cég produktuma. A multinacionális vállalat szakemberei felocsúdva azt állították, hogy a Google jócskán elszámolta magát. A kvantumszámítógépen megoldott problémát az ő szuperszámítógépük két és fél nap alatt letudja, azaz szó sincs tízezer évről.

A két és fél nap valóban sokszorosa a kétszáz másodpercnek, de a Summit többre is képes a Sycamore egyetlen feladatra specializált képességénél. Így még nem beszélhetünk paradigmaváltásról. A hagyományos komputerek ugyanis rendkívül sokoldalúak, szinte bármire használhatók, a kvantumszámítógépek viszont alig néhány feladatot képesek megoldani speciális körülmények között.

A Google eszközre szabott speciális problémát valóban gyorsabban számolta ki, mint a világ leggyorsabb szuperszámítógépe, de nem biztos, hogy egyszerű összeadással megbirkózna.

– Érdekes forrongás közepén vagyunk. Komoly erőfeszítések zajlanak, hogy beigazolódjon a kvantumfölénynek nevezett jelenség – tette hozzá Rónyai Lajos, aki szerint szüksége van az emberiségnek ilyen brutális teljesítményű eszközökre. A gyógyszerkutatásban, az űrkutatásban és napjaink számos más területén használhatnánk a jelenleginél sokkal gyorsabb számítógépeket. Azt azonban ne reméljük, hogy belátható időn belül a hagyományos asztali gépeket kvantumszámítógépekre cseréljük. A Google rendszere például fénytől elzártan, vákuumban, az abszolút nulla fok, mínusz 273,15 Celsius-fok közelében működik, rövid ideig. A qubiteket ugyanis a legkisebb külső inger is megzavarja.

Egyesek szkeptikusak, mások egyértelműen a jövő útjának látják a kvantumszámítógépeket. Az akadémikus szerint a mostani asztali gépek teljesítménye sokkal nagyobb, mint amilyen eszközzel a hazai informatika zászlóshajójának tartott SZTAKI az 1980-as évek közepén rendelkezett. Könnyen lehet, hogy a most megcsodált kvantumos teljesítmény valamilyen módon az átlagfelhasználókhoz is eljut.

Azonban nagyon komoly kutatások után születhetnek meg azok a berendezések, amelyeket akár hazai kutatóintézet is rendszerbe tud állítani. Azután gondolkodhatunk az otthoni verziókon.