Kvantumszámítógépet épít Európa magyar közreműködéssel

Magyar szakemberek közreműködésével megkezdődött az európai kvantumszámítógép építése. Az OpenSuperQPlus elnevezésű programról a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) docense, Asbóth János nyilatkozott.

Mit nevezünk kvantumszámítógépnek?

– Olyan gépet, amely a számítások közben a biteket – az információ alapegységét – kvantumos szuperpozícióban és egymással kvantumosan összefonódva tudja tartani.

– Ebből az átlagember két dolgot biztosan nem ért: a kvantumos szuperpozíciót és a kvantumos összefonódást. Mit jelent ez a két kifejezés?

– Egy példa: a hidrogén atommagja körül az elektron valamilyen furcsa módon itt is, ott is és amott is van. Az összes lehetséges hely egymásra rakódik, ez a szuperpozíció. Többelektronos atomok esetében ráadásul nemcsak hogy mindegyik elektron a helyek szuperpozíciójában van, de függnek a többi elektron helyzetétől, állapotától. Azaz kvantumosan összefonódtak.

Összefonódás

– A szuperpozícióból és összefonódásból hogyan lesz gyors számítási eredmény?

– Legtipikusabban úgy, ha a számítás célja egy olyan jelenség szimulálása, amely a kvantumos szuperpozíción, összefonódáson alapul. Ilyenek például azok a bonyolult kémiai reakciók, amelyek során a légköri nitrogént enzimek a növények számára előkészítik, hogy abból az élethez szükséges aminosavakat, fehérjéket tudják szintetizálni. A nitrogenáz enzim a levegőben a nitrogén molekuláit összetartó erős hármas kötéseket felbontja, de nem teljesen értjük, hogyan. Az iparban ezért más, energiaigényes módon gyártják a műtrágyát. Az emberiség összes energiafelhasználásának nagyjából egy százaléka ehhez kell. Egy kvantumszámítógép, amely szimulálja az enzim okos reakcióját, ötletet adhat, hogyan lehet azt iparilag megvalósítani. Van néhány olyan eset is, amikor a számítási feladatnak látszólag semmi köze a kvantumfizikához, de mégis használhatók a kvantumos trükkök. Az első fontos példa erre 1994-ből származik: ekkor alkotott meg Peter Shor amerikai matematikus hatékony kvantumos algoritmust nagy számok prímtényezőkre bontásához.

Ez azért fontos, mert több titkosítási protokollnál a biztonságot az adja, hogy a szorzatra bontás nehéz: kvantumszámítógéppel tehát a titkosítási eljárások, köztük a mai internet biztonságát adók is, feltörhetők.

– Miért nem jók már a hagyományos számítógépek?

– Nagyon is jók azok, a legtöbb célra soha nem váltják fel ezeket a kvantumszámítógépek. Nem arról van szó, hogy az utóbbiak  lényegesen gyorsabbak lennének a hagyományosoknál, hanem másféle programok tudnak futni rajtuk. Néhány nehéz feladatnál ezek a másféle programok hoznak előnyt: ahogy a feladat bonyolultsága nő, a kvantumszámítógépek előnye ezeknél a feladatoknál egyre nagyobb.

Kezdeti lépések

– Évek, évtizedek óta beszélnek a kvantumszámítógépekről, de még mindig csak a kezdeti lépéseknél tartunk. Miért?

– A kvantumszámítógéphez kvantumbitek kellenek. Ezeket a környezettől nagyon jól el kell szigetelni, hogy megtartsák törékeny kvantumállapotaikat, másrészt viszont a kísérletező kénye-kedve szerint kell hogy tudja vezérelni őket: műveletekhez, kiolvasáshoz. Ez a két követelmény együtt nagyon nagy kísérleti kihívás. Pillanatnyilag legígéretesebb a szupravezető nyomtatott áramkörös technológia, ezzel már mintegy száz kvantumbitet sikerült egy csipre integrálni. Az áramkört azonban közel abszolút nulla fokra kell folyamatosan hűteni (speciális folyékony héliumos hűtőrendszerrel), hogy elérjük a kvantumos működés tartományát.

Asbóth János, a Műegyetem elméleti fizikusa nagy jövőt jósol a kvantumszámítógépeknek. Fotó: Teknős Miklós

– Mire elég száz kvantumbit?

– Ez élénken kutatott téma. A legjobban ismert kvantumos algoritmusokhoz, amelyekről beszéltünk, száz helyett néhány millió kvantumbit kellene egy csipen. De talán a mai, zajos, kevés kvantumbites prototípusok is hasznosak lehetnek a hagyományos számítógépek kiegészítőiként, „kvantumos gyorsítóként” különféle optimalizációs feladatokban.

Egymás után nőnek ki a földből azok a startupok, amelyek ezeket a lehetőségeket keresik. 

– Hol épül meg az európai kvantumszámítógép?

– Nincs még kijelölve a helyszín. A konzorcium a legsikeresebb európai kvantumszámítógép-építőket igyekszik egy közös, együttműködő csapatba kapcsolni – ők mind a saját helyszíneiken fejlesztenek. Az is lehet, hogy több gép is lesz.

– A Műegyetem Természettudományi Kara mintegy százmillió forint támogatást kap a kutatásokra. Ez azt jelenti, hogy az elsők között lesz ilyen eszköz az egyetemen?

– Nem, a százmillió forint nem elég egy valódi kvantumszámítógépre. Ezt az összeget a konzorcium tagjaiként a BME fizikusai arra kapták, hogy elméleti számításokkal támogassák a nyugat-európai kísérleti kollégák munkáját. Mindemellett a BME-n kísérleti kvantumszámítógépes kutatás is folyik: többféle ígéretesnek tűnő, alternatív kvantumbit ötletet keresnek a Fizikai Intézet kutatói, míg a Villamosmérnöki és Informatikai Karon a kvantumkommunikációs hálózatokat fejlesztik.

Beépül az egyetemi oktatásba

– Hasznosítható ez az élvonalbeli kutatás az egyetemi oktatásban?

– Természetesen! Az egyetemnek feladata, hogy aktuálisan használható tudást adjon a hallgatóknak, ezért mindig igazítani kell a tananyagot, szem előtt tartva az élvonalbeli kutatási irányokat is.

– Mikor lesz nekem kvantumszámítógépem?

– Bárki, aki ki akarja próbálni a kvantumszámítógépet, ma megteheti, például az IBM ehhez ingyen is nyújt online hozzáférést. Azt viszont nem hiszem, hogy belátható időn belül elterjednének az otthoni kvantumszámítógépek. A legtöbb embernek nincs szüksége drága és hangos masinára, hogy kvantumkémiai reakciókat szimuláljon vagy kódot törjön. 

Borítókép: Az IBM kvantumszámítógépe. Forrás: IBM