Nagy lépést tettünk az igazi kvantumszámítógép felé

Az internet tele van olyan címekkel, hogy a kvantumszámítógépek új korszakot nyitnak, alapjaiban forgatják fel a számítástechnikát, és mindent megváltoztatnak. De miért is várja minden tudós annyira a tényleg használható kvantumszámítógépeket? Röviden azért, mert villámgyorsan megoldanának olyan komplex feladatokat, amelyekhez a hagyományos számítógépeknek sokkal több, akár józan ésszel beláthatatlanul hosszú időre lenne szükségük. Erősebb biztonsági megoldásokat tennének lehetővé, javítanák a képfelismerést és a bigdata-elemzést, felpörgetnék a mesterséges intelligencia kutatásában slágerterületnek számító gépi tanulást, és különösen valószínűségi, optimalizációs feladatokban nyújtanának kiemelkedőt – mindezt pedig ideális esetben még energiahatékonyabban is, mint a mai gépek.

Na és akkor miért még mindig csak ígéretként beszélnek a fenti címek is a kvantumszámítógépekről? Azért, mert annyira új és más elvek szerint működő területről van szó, hogy még mindig rengeteg problémát kell megoldani. Vannak már működő kvantumszámítógépek, de ezeknek a felhasználása még nagyon korlátozott, mert a működtetésük igen macerás, nagyon érzékenyek a környezeti hatásokra, és a kutatóknak tengernyi kisebb-nagyobb akadályt kell legyűrniük.

A terület viszont rohamtempóban fejlődik, és egyre több figyelem is irányul rá. Az Egyesült Államokban egy kormányzati jelentés például épp július végén javasolta, hogy kezeljék nemzeti prioritásként a kvantuminformatikát, és még több forrást biztosítsanak a kutatására. Ezen a még mindig hosszú, de elképesztően ígéretes úton tettek most egy méretes lépést a Marylandi Egyetem kutatói azzal, hogy

Nagy dolgokra lenne képes, csak nem működik

Az egész kvantumszámítógépesdiről korábban írtunk már egy részletes ismertetőt, amelyben bemutattuk a téma alapjait és a Google által használt kvantumszámítógépet is, ezt ide kattintva olvashatják.

Itt most csak egy villámgyors kvantumbevezetőre lesz szükségünk:

• A kvantuminformáció alapegysége a kvantumbit vagy qubit. Ez többféle részecskéből, például fotonból, elektronból vagy ionból is lehet, csak rendelkezzen legalább két, jól megkülönböztethető állapottal, mint például a foton esetében a polarizáció iránya vagy az ionoknál a töltés.
• A hagyományos bitek vagy 0 vagy 1 értéket vehetnek fel, a qubitek viszont képesek szuperpozícióba kerülni, ami azt jelenti, hogy minden lehetséges értéket egyszerre fel tudnak venni. Ezzel több olyan művelet végezhető el velük szimultán, amelyeket egy hagyományos gépnek külön-külön kellene lefuttatnia. A rendszer által egyszerre felvehető állapotok száma pedig minden egyes qubittel exponenciálisan növekszik.
• Ahhoz viszont, hogy szupergyors számítógépet kapjunk, ezeknek a qubiteknek még együtt is kell működniük egymással. Ez a kvantum-összefonódás, amikor két vagy több qubit teljes összhangba kerül, és az egyik megváltoztatása a másikra is ugyanolyan hatással lesz – még akkor is és azonnal, ha egymástól nagyon messze vannak. Az extrém érzékeny rendszert viszont könnyen megzavarhatja valamilyen külső hatás, és a titokzatos kapocs felbomlik, ezt hívják dekoherenciának.
• A hagyományos bitek különböző feszültségszintekként jelennek meg a számítógépekben, és különböző áramkörökön haladnak át. Ezeket hívják logikai kapuknak, és a segítségükkel végezhetők el a biteken a logikai alapműveletek, vagyis maga a számítógép működése. A qubiteket leggyakrabban hasonló kvantum logikai kapukkal manipulálhatók, de ezek nem tranzisztorokból és relékből állnak, hanem például lézerekkel hozzák létre őket.

A ma a laborokban használt kvantumszámítógépek viszont nem túl rugalmasak: általában csak egy-egy algoritmus futtatására alkalmasak, vagy hosszadalmas előkészületekkel lehet egy-egy konkrét probléma megoldásához igazítani őket. Az újonnan bemutatott rendszer jelentősége éppen az, hogy nem kell manuálisan állítgatni, hanem szoftveresen átprogramozható, így tetszőleges algoritmus futtatható rajta. A módszer lényege, hogy a szoftver bármilyen algoritmust lefordít univerzálisan értelmezhető kvantum logikai kapukra, és ezeket futtatja le a qubiteken, mégpedig úgy, hogy azokat programozható lézerekkel manipulálja.

Minden eddiginél rugalmasabb

A kutatók a Nature folyóiratban mutatták be az új rendszert, amely hardveres és szoftveres részből áll. Öt darab, elektródákkal csapdába ejtett ion szolgál qubitként. Ezeket egy lencsén át lézerrel manipulálják, akár egyesével, akár egyszerre többet is. Így a lézersugarakkal bármelyik két qubit között létrehozható interakció. A szoftver pedig a végrehajtandó algoritmust lebontja a kvantumszámítógép által könnyebben értelmezhető kvantum logikai kapukra, vagyis elvégzendő műveletekre, amelyeket aztán szép sorban alkalmaznak a qubitekre. Mindez így néz ki a csapat magyarázó animációján:

Minden kvantumalgoritmus lefuttatása – magyarul a kvantumszámítógép tényleges működése – három lépésből áll: először a qubiteket kell megfelelő állapotba hozni, aztán végrehajtani rajtuk a kvantum logikai műveleteket, végül megmérni az eredményt. Ehhez a rendszerben különböző színű lézerek dolgoznak:

1. Az egyik színnel addig lövik az ionokat, ameddig el nem érik a kívánt energiaszintet. Ezt a módszert optikai pumpálásnak hívják.
2. A logikai kapukhoz egy másik lézert használnak.
3. Végül a pumpálást is végző lézer segítségével olvassák ki az egyes ionok kvantumállapotát a folyamat végén: a lézerrel megvilágítják az ionokat, majd a fluoreszkálásuk intenzitását figyelik.

A rendszer lelkét azonban valami olyasmi jelenti, ami még csak egy kicsit se kvantumos: egy jó öreg hagyományos számítógépen futó adatbázis, amely a kvantum logikai kapuk végrehajtásához szükséges legjobb lézersugár-kombinációkat tartalmazza. Ez a hagyományos gép fordítja le a kvantumalgoritmusokat a konkrét alakzatokra, amelyeket a lézereknek fel kell venniük. Ez a lézeres programozhatóság jelenti az óriási előnyt, mert nem magukkal a hiperérzékeny qubitekkel kell szöszölni, hanem kívülről állítható át a rendszer egy-egy feladathoz.

A másik fontos újdonsága a programozható kvantumszámítógépnek, hogy bővíthető is – olyannyira, hogy nem is számítógépként, hanem modulként hivatkoznak rá a kutatók, mert összekapcsolható önmaga másolataival, hogy együtt nagyobb teljesítményű rendszert alkossanak.

Pörög a kvantuminformatika, ki tudja hol áll meg

Van még persze teendő ezzel a módszerrel is. A teszteléséhez használt három feladatból kettő 95 és 90 százalékban sikerrel futott le, a harmadik teszt 70 százalékban volt sikeres. Éppen ez a harmadik a legfontosabb gyakorlati szempontból, mert arról a kvantum Fourier-transzformáció (QFT) nevű függvényről van szó. Ennek kulcsszerepe lesz majd abban, hogy egy jövőbeli, teljesen működő kvantumszámítógép könnyedén megfejthesse a mai technológiával megfejthetetlen titkosításokat, és ezzel alapjaiban írja át a digitális biztonságtechnikát.

A kutatók szerint ezek az egyelőre fellépő hibák kiküszöbölhetők, nem a rendszer alapvető hiányosságaiból adódnak. A következő lépés a modul tökéletesítése mellett egy kisebb, kompaktabb verzió építése lesz. Később nagyobb, akár száz qubites modulokat is össze lehet majd rakni a tervek szerint, a modulok pedig összekapcsolhatók lesznek.

Bár csak ötqubites a rendszer, tudjuk, hogyan alkalmazzuk ugyanezt a technikát sokkal nagyobbakra is

– mondta Shantanu Debnath, a tanulmány vezető szerzője.

Közben természetesen több más kutatócsoport is dolgozik a kvantuminformatika tökéletesítésén, és a kisebb-nagyobb eredmények is folyamatosan érkeznek. Csak idén augusztusban például:

• A Dél-Kaliforniai Egyetem kutatói kidolgoztak egy módszert a melegedéssel kapcsolatos hibák kiküszöbölése. Mivel a kvantumszámítógépek különösen érzékenyek, a minél hatékony hibakorrekció a kutatás egyik legkevésbé látványos, mégis legfontosabb része, és éppen a környezeti hőmérséklet a legkomolyabb hibaforrás.
• Az MIT kutatóinak sikerült a gyakorlatban is használható méretűre zsugorítani a csapdába ejtett ionokra épülő kvantumprocesszorokat.
• Az Oxfordi Egyetem kutatói minden eddiginél pontosabb, 99,9 százalékos biztonsággal működő kvantum logikai kapukat terveztek. Ez nemcsak, hogy új abszolút rekord, de egyúttal most először sikerült elérni azt az elméleti határt, amilyen pontosságra egy igazi kvantumszámítógépnek szüksége lesz. Ez azt jelenti, hogy 1000 esetből 999-szer sikerül létrehozni összefonódást a qubitek között, és csak egyetlen alkalommal történik valamilyen hiba. Ezzel elvileg már gyakorlatban is lehet dolgozni, de a kutatók szerint még túl nehéz és drága lenne. Igazán jól akkor fogunk állni, ha 99,99 százalékot sikerült elérni.

Ezek a kutatások mind a hétköznapi használhatóság irányába lökdösik a még mindig kísérleti fázisban tartó területet. Christopher Monroe, a programozható modul egyik létrehozója szerint az ő rendszerüknek is épp az a jelentősége, hogy az eddigieknél egyszerűbben kezelhető, és a cél a folyamatos áramvonalasítás, hogy egyszer tényleg széles körben elterjedhessenek a kvantumszámítógépek:

Ahhoz, hogy bármilyen számítógép hasznos lehessen, a felhasználótól nem lehet elvárni, hogy tudja, mi van benne. Nagyon kevés embert érdekel, hogy az iPhone-juk valójában hogyan működik a fizikai szinten.

És tényleg, a legtöbbünknek a saját mobilunk felépítéséről se sok fogalma van, de azért arra még mindig jó néhány évet várni kell, hogy a zsebünkben, vagy akár az asztalunkon lévő kvantumszámítógépet ne értsük ugyanennyire.