A kvantumszámítógép szuper dolog lesz, de amíg nem létezik, mutatunk jobbat

Bár egy speciális csip bemutatásával zárta, kvantumfizikai gyorstalpalóval vezette fel az idei előadását Joseph Reger, vagyis a magyar születésű Réger József, a Fujitsu regionális technikai igazgatója a japán cég Fujitsu Forum nevű éves müncheni rendezvényén.

Ez első hallásra furának tűnik, hiszen a fórumot ellepő öltönyös üzletemberek nagy része valószínűleg nem az ilyen józan ésszel nehezen felfogható elméletek miatt látogatott Münchenbe. De ahogy Réger is világossá tette, a téma nemcsak azért fontos, mert a kvantumszámítógépek egy évtizeden belül forradalmasíthatják a számítástechnikát, hanem azért is, mert ha nem vigyázunk, a működésüket adó kvantumjelenségek előbb-utóbb nagy galibát okozhatnak a hagyományos számítógépeken belül is.

Az atomi szinten jelentkező kvantumeffektusok ugyanis jelentősen eltérnek az általunk tapasztalt fizikai világ törvényszerűségeitől, mert amíg utóbbi determinisztikus, a hullámfüggvényekkel operáló kvantumfizika valószínűségi alapú. Azzal, hogy a csipgyártás fejlődésével egyre csökkentjük a tranzisztorok méretét, lassan olyan szintet érünk el, amelynél már a kvantumfizika szabályai érvényesülnek. Ettől a ponttól viszont a klasszikus számítástechnika kiszámíthatatlanná válik. Ezért még akkor is érdemes foglalkozni ezekkel a jelenségekkel, ha egyáltalán nem is akarnánk kvantumszámítógépet építeni – mondta az eredetileg fizikus Réger. És ha már úgyis meg kell birkózni velük, akkor már miért ne használjuk ki őket?

A titkosítás mehet a levesbe

A kvantumszámítógép a mérnökök régi álma, és bár még ma is sok akadályt kell leküzdeniük, már belátható közelségbe került a gyakorlati megvalósítása. Teljesen más elven működik, mint a mai számítógépek, és a számításokat se egymás után, hanem egyszerre képes elvégezni, így olyan komplex feladatokra ígér villámgyors megoldást, amelyekhez ma józan ésszel felfoghatatlanul hosszú időre lenne szükségünk. A működésükről ebben a cikkben írtunk hosszabban, és a lényeget rövidebben ebben a cikkben is összefoglaltunk.

Réger a lehetőségeket egy gyakori példával, a ma sztenderdnek számító RSA titkosítással érzékeltette. Ez azért tekinthető biztonságosnak, mert a feltöréséhez olyan sok lehetőséget kellene végigpróbálgatni, hogy a visszafejtéséhez egy hagyományos számítógéppel 6 billiárd, de még egy mai szuperszámítógéppel is 21 milliárd évre lenne szükség. Összehasonlításképpen: a világegyetem kora a mai tudásunk szerint 13,8 milliárd év. Még ha a technológiai fejlődés ütemét eddig pontosan megjósoló Moore törvénye ki is tartana a következő évtizedekben (márpedig nem nagyon fog kitartani), akkor is csak egymilliószoros gyorsulással számolhatnánk negyven év alatt, amivel még mindig 20 ezer évbe telne a számolás.

Ez nem tűnik túl praktikusnak

– vonta le a logikus következtetést Réger.

Egy működő kvantumszámítógép viszont pillanatok alatt elvégezné ugyanezt a munkát, hiszen a visszafejtéshez használható rengeteg variációt nem egyesével, hanem egyazon időben futtatná le, hogy végül kidobja a megoldást. Ezért már most érdemes gondolkodni azon, mivel lehet kiváltani a mai titkosítást. (Leginkább titkosító kvantumalgoritmusokkal, amelyekből létezik is már néhány, csak még gép nincs, ami futtassa őket.)

A kvantumszámítógépekben az információ alapegysége a kvantumbit vagy qubit. Míg a hagyományos bitek vagy 0 vagy 1 értéket vehetnek fel, a qubitek képesek szuperpozícióba kerülni, ami azt jelenti, hogy mindkét állapotban léteznek egyszerre. Minél több ilyen qubitból áll egy rendszer, annál többféle kombinációt tudnak párhuzamosan felvenni, így annál komplexebb problémákat lehet velük rövid idő alatt megoldani. Ahhoz, hogy szupergyors számítógépet kapjunk, ezeknek a qubiteknek még együtt is kell működniük egymással, ezt hívják kvantum-összefonódásnak.

Az egyik fő kihívás a használható végeredmény kinyerése a rendszerből a feladatok elvégzése után. Ezek a párhuzamosságok ugyanis csak a kvantumfizikai szinten működnek, de ha megmérjük a rendszert, a qubitek szuperpozíciója összeomlik, ezzel egyetlen klasszikus állapot felvételébe kényszerítjük őket. (Tudják, mint Schrödinger közmondásos macskáját.) A másik nehézség, hogy a rendszer nagyon érzékeny, így ezt az összeomlást a legkisebb külső környezeti behatás is előidézheti.

Mindenre jó, csak még nem sikerült megépíteni

Felmerül a kérdés, hogy ha amúgy is mindenre az univerzálisan bevethető számítógépeinket használjunk, miért nem szimuláljuk klasszikus gépeken a kvantumszámítógépek működését. Azért, mert ehhez olyan brutális számítási kapacitásra lenne szükség, hogy egyszerűen nem bírjuk vassal.

A kvantumrendszer által egyszerre felvehető állapotok száma minden egyes qubittel exponenciálisan növekszik. Két kvantumbit már négy különböző kvantumállapotot vehet fel, így ezek szimulálásához négy hagyományos bit kellene, háromhoz már nyolc, négyhez már tizenhat, és így tovább.

Egy 80 kvantumbites szimulációhoz a látható univerzummal azonos méretű hagyományos számítógépre lenne szükség, és egyetlen kvantumművelet elvégzése az univerzum életkorával azonos ideig tartana

– mondta Réger.

Szóval marad az igazi kvantumszámítógép építése. Erre ma kétféle megközelítés létezik. Az egyik a hagyományos számítógépek műveleteit végző logikai kapuk mintájára kvantum logikai kapukra épít. Ez a típus az univerzális kvantumszámítógép, amellyel bármilyen feladat elvégezhető lenne, de sokkal nehezebb megvalósítani, így még csak kísérleti fázisban létezik, illetve maximum pár tucat qubitos változatban, ami az áttöréshez még nem elég.

A másik fajta kvantumszámítógép csak bizonyos feladattípusokra: optimalizációs problémákra alkalmas, de cserébe könnyebb is megépíteni és stabilan működtetni is. Egy optimalizációs probléma lefordítható úgy, mint egy tájkép hegyekkel és völgyekkel, ahol a cél a legmélyebb völgy (az optimális megoldás) megtalálása. Egy hagyományos számítógép sorban végigjárná az összes völgyet, egy kvantumszámítógép viszont az összes lehetőséget egyszerre vizsgálja meg, és ad egy valószínűségi eredményt, hogy melyik völgy lehet a legmélyebb.

Ezt a típust angolul quantum annealernek hívják, ami a “völgyek végigjárásának” módszerére utal. Az annealing (magyarul megeresztés) egy kohászati hőkezelő eljárás, a fém edzése után használják az anyag feszültségmentesítésére hevítés és lassú hűtés ismételgetésével, hogy rugalmasabb és ellenállóbb legyen. Az ilyen típusú kvantumszámítógépekben is ehhez hasonlóan manipulják a qubiteket, csak a hevítés helyett a mágneses tér változtatásával. Így működik az egyetlen már ma is kereskedelmi forgalomban kapható kvantumszámítógép, amelyet egy kanadai cég, a D-Wave fejleszt, összesen néhány darab készült csak belőle (az egyiket a Google vette meg), és vitatott hatékonyságú. Na meg elég macerás, elképesztően sokat fogyaszt és rendkívül drága.

Párhuzamos valóság

Minderről azért beszélt Réger József, és azért foglaltam össze én is, mert a Fujitsu által tervezett új típusú csip a második fajta kvantumszámítógéphez hasonló módon működik, és a cég szerint jóval olcsóbb, energiahatékonyabb és egyszerűbb, na meg a gyakorlatban is működő alternatívát jelent valós problémák megoldására, amíg az egyértelműen a jövőt jelentő univerzális kvantumszámítógépek el nem készülnek végre.

Mivel némileg hasonló elven működik, de hagyományos felépítésű, a Fujitsu a Digital Annealer (DA) nevet adta a csipjének. Ez tehát NEM kvantumszámítógép, és NEM is annak a szimulációja, csak – ahogy Réger fogalmazott – egy “kvantum inspirálta” digitális csip, mert ellesett néhány trükköt a kvantumszámítógépektől:

• Szintén az alagúthatás nevű kvantumjelenséghez hasonló módszert használ arra, hogy a helyi minimumról (a kisebb völgyekből) a globális minimumra (a legmélyebb völgybe) jusson.
• Képes párhuzamos keresést végezni a hagyományos szeriális helyett.
• A hardvere jelenleg 1024 bit, ami nagyon kevésnek hangzik, viszont ezek a bitek mind közvetlen összeköttetésben vannak az összes többivel.

És a lényeg:

A cég mérései szerint átlagosan 10 ezerszer gyorsabb, a klasszikus optimalizációs feladatnak számító utazó ügynök problémáját pedig 17 ezerszer gyorsabban oldja meg, mint egy hagyományos számítógép. Ha Moore törvénye kitartana, ez a sebességnövekedés 14 csipgenerációnyi ugrásnak felelne meg, amivel 30 évnyi fejlesztési idő spórolható. A Fujitsu mérnökei szerint pedig további tíz- vagy százszoros gyorsulás lehetséges még. Mindehhez persze szoftverre is szükség van a hardver mellé. Ehhez a 1QBit nevű kanadai startuppal és a Torontói Egyetemmel működik együtt a japán cég.

Hosszú távon persze a DA se lesz versenyképes a kvantumszámítógépekkel, de nem is erre szánják, hanem a köztes időszak alternatívájának. Olyan gyakorlati optimalizációs feladatokra szánják, mint új gyógyszerek felfedezése, új anyagok tervezése, hatékonyabb katasztrófamenedzsment, pontosabb sugárterápia, pénzügyi portfólió-optimalizáció vagy forgalomtervezés, illetve gyorsabban kereshető vele a Dolgok Internete által rohamtempóban felhalmozott adattenger és jobb gépi tanulásos módszerek kidolgozásában is segíthet mesterséges intelligecia fejlesztőinek.

A szkeptikusabb kutatók már a D-Wave specializált kvantumszámítógépét is kritikusan méregetik, szerintük nem kínál valódi sebességnövekedést, és csak kevés feladattípushoz hasznos. Ezeket a kritikákat feltehetően a Fujitsu csipje is meg fogja kapni, meglátjuk, el tud-e majd terjedni a fejlesztésük.

És hogy az univerzális kvantumszámítógépekre meddig kell még várni? Réger József szerint talán még 7-10 évet. Bár ez optimista becslésnek tűnhet, valójában még egészen konzervatív – az MIT Technology Review jóslata szerint mindössze 4-5 évet kell már csak várnunk.

***

Munkatársunk a Fujitsu meghívására és költségén vett részt a rendezvényen. A cikk enélkül nem készülhetett volna el, ugyanakkor teljes egészében szerkesztőségi tartalom, készítésére a cég semmilyen befolyással nem volt.