Láttam a jövőt, és olyan volt, mint egy villanybojler

Rajongok az építészetért és a formatervezésért, de megátalkodott modernistaként többre tartom a Pompidou központ technicista szépségét a Parlament gótikus csipkéinél, és egy Dieter Rams-rádió is jobban megérint, mint egy I. Jakab korabeli márványasztalka. A tudományos-műszaki jellegű építészettől egyenesen elolvadok; a Nemzetközi Űrállomás vagy a CERN nyers célszerűsége nekem nem a dicső múltat idézi, hanem a jövő ígéretét jelenti, és az utóbbival elfogultabb vagyok.

Talán ezért is fog el egy kis borzongás, amíg az IBM Q laboratóriuma előtt várakozunk, hogy bemehessünk.

Épp elérzékenyülnék, amikor kinyitják az ajtót, és szólnak, hogy bemehetünk – és akkor megpillantok egy fémketrecben lógó villanybojlert.

De talán ne szaladjunk ennyire előre.

A kvantumszámítógépek fejlesztése évtizedek óta zajlik. Működő modell még egy sem készült, csak néhány fejlett prototípus. Még azt is túlzás lenne kijelenteni, hogy a fejlesztésük gyerekcipőben jár - ez inkább az anyaméhben kapálózás korszaka. A ma létező kezdeményezések közül az IBM Q Experience az egyik legígéretesebb: a tervezők célja egy univerzális kvantumszámítógép létrehozása.

A fejlesztők skálázható kvantumrendszereket, illetve a ma elérhető technológiához használható alkalmazásokat kínálnak. Az IBM Q kvantumeszközei még csak prototípusok, de már ezek is futtathatók olyan szimulátorok, amiket a felhőn át bárki elérhet. Van saját, nyílt forráskódú fejlesztői csomagjuk is: a Qiskit (Quantum Information Science Kit) virtuális felületet biztosít egy kvantumszámítógép programozásához.

Az alapok tehát megvannak, de ez egy hosszú, több évtizedes terhesség lesz. Az első működő kvantumszámítógép megjelenését a szakértők 20 évvel későbbre várják, és mások szerint még ez is optimista becslés. Hogy meggyorsítsák a folyamatot, az IBM 2017 decemberében elindította az IBM Q Networköt, ahol a tagok felhő alapú hozzáférést kapnak a rendszerhez, illetve több startuppal is együttműködnek – több szem többet lát, a több szakértelem pedig jobb végeredményt hozhat. A támogatók listáján ott van a

• Zapata Computing (Cambridge, Massachusetts), akik kvantumszoftvereket és -alkalmazásokat fejlesztenek;
• Strangeworks (Austin, Texas) akik informatikai adminisztrációhoz fejlesztenek kvantumszámítógép-szoftvereket;
• QxBranch (Washington D.C.), akik pénzügyi elemzőszoftverekkel, biztonsítással, energetikával foglalkoznak, és gépi tanulásra, illetve kockázatelemzésre használnak kvantumszoftvereket;
• QC Ware (Palo Alto, Kalifornia), akik hardverfüggetlen kvantumalkalmazásokat fejlesztenek, és olyan megbízóik vannak, mint az amerikai kormány és a NASA, illetve több, Fortune 500 cég.

De az IBM felhő alapú kvantumrendszerét nemcsak ők használják, hanem olyan neves cégek is, mint a JP Morgan, a Honda, a Daimler, a Samsung, a Barclays, az Oxfordi Egyetem.

És hogy mire használnak egy ilyen szörnyeteget? Olyan problémák megoldására, amire a hagyományos rendszerek kevésbé alkalmasak. Ilyen az algebrai algoritmusokkal történő munka, a faktorrendszerekkel való számolás, illetve a bonyolult egyenletrendszerek.

Ha túl bonyolultan hangzik az, hogy kombinatorikai optimalizáció, csak képzeljük el, hogy adott egy utazó üzletember, akinek komoly számítási teljesítményű rendszerre van szüksége, hogy bárhol hozzáférhessen egy üzlet-optimalizációs vagy kockázatelemző szoftverhez, amihez a hagyományos gépek számítási teljesítménye nem elég. Vagy képzeljenek el egy vegyészt, aki egy olyan bonyolult kémiai folyamatot akar modellezni, ami a hagyományos, lineáris dinamikára épülő modellekkel nem leírható. És még nem is beszéltünk a kvantummechanikai szimulációkról, amire az egész kvantumszámítógép-mizéria működési elve épül.

De miért nem jók erre a hagyományos számítógépek? Azért, mert több alkalmazási terület is van, amikre azok kevésbé alkalmasak. Ezt hard problemsnek, nehéz problémának hívják, szemben a könnyű (easy) problémákkal. Easy problem kiszámolni, hogy mennyi 13×7, de hard problem meghatározni, hogy a 91-es vagy a 887339-es szám milyen számoknak a szorzata. Ahhoz meg már tényleg kvantumprocesszor kell, hogy könnyen elboldoguljon a gépi tanulásos mesterséges intelligenciákkal, a nukleáris szimulációkkal, vagy a kriptográfiában is használt hatalmas prímszámok megtalálásával.

A hagyományos számítógépek teljesítménye ráadásul lineárisan növekszik, szemben a kvantumszámítógépekével – az ugyanis hatványozódik. Szemléltető példaként az IBM egyik kutatója felhozza a sakk feltalálásának legendáját:

Állítólag az akkor még csaturanga néven ismert sakkjátékot feltaláló indiai brahmin cserébe annyi rizsszemet kért a rádzsától, amennyi a sakktábla négyzeteire rátehető: az elsőre 1, a másodikra 2, a harmadikra 4, a negyedikre 8 szemet, és így tovább. A jelentéktelennek tűnő kérésről kiderült, hogy teljesíthetetlen: a 64. négyzetre már annyi rizsszemet kéne tenni, amennyit az emberiség a létezése óta összesen nem termelt meg.

Nagyjából ugyanígy lehet leírni a kvantumszámítógépek teljesítmény-növekedését is. A klasszikus számítógépeknél a tranzisztorok számának megduplázódása duplájára növeli a gép teljesítményét. (A Moore-törvény a tranzisztorszám megduplázódásának időtartamát két évre saccolta – ez a becslés azóta is megállja a helyét.) De a kvantumszámítógépeknél minden egyes kvantumbit (qubit) hozzáadása megduplázza a gép teljesítményét – vagyis a kvantumbitek úgy hatványozzák a számítási teljesítményt, ahogy a rizsszemek száma növekszik a sakktáblán.

Hogy mi is az a kvantumbit? A klasszikus bitek a kettes számrendszerre épülő programozás információs alapegységei: a bináris kódban egyesekként és nullákként jelennek meg. Egy kvantumbit viszont egyszerre lehet mindkettő. Egy kvantumbitet úgy érdemes elképzelni, mint egy gömböt. A klasszikus bitek ennek a gömbnek mindig egy meghatározott pontján találhatók, a kvantumbitek viszont bárhol lehetnek ezen a gömbön belül. Emiatt egy kvantumbit jóval több információt tárolhat, de kisebb energiafelvétel mellett. 

A bináris programozásban így lehet leírni 2 bitet:

00, 01, 10, 11

– vagyis az egyes értékek egyesekből és nullákból állnak.

De egy kvantumbit – ha olyan gömbként ábrázoljuk, ahol α és β a gömb tengelyének a gömbfelszínt metsző két végpontja, γ és δ pedig az erre merőleges sugarak gömbfelszínt metsző végpontjai – így néz ki:

α|00} + β|01} + γ|10} + δ|11}

– vagyis egyszerre 00, 01, 10 és 11, miközben akár |α|², |β|², |γ|² és |δ|² is lehet.

Bonyolult, mi? Hogyan lehet valami egyszerre egyes és nulla? A materialista filozófiai irányzatok, mint például az objektivizmus, azt tanítják, hogy az anyagi világ leírására épülő elméletekben nem lehet ellentmondás – vagyis nem lehet valami egyszerre egyes és nulla.

Az, hogy valami nem lehet egyszerre egyvalami és másvalami, bizonyos feltételek mellett tényleg igaz – de hozzá kell tennünk, hogy csak szobahőmérsékleten, és a Föld bolygón. Az abszolút nulla, azaz a mínusz 273 Celsius-fokos tartomány, ahol az atomok és molekulák mozgása megszűnik, már egy teljesen más állapot. Itt jöhet létre a kvantum-szuperpozíció, ahol a kvantumszámítógépek a leghatékonyabban, a legkevesebb hibával dolgozhatnak. De ez a kvantummechanika felségterülete, amit Schrödinger egyszerre élő és halott macskája jelölget meg a vizeletmintájával.

Mielőtt kétségbeesve átkapcsolnának egy valóságshow-ra, nyugodjanak meg, ebbe nem megyünk bele jobban. Kikapcsolódás gyanánt hallgassunk egy kis kvantumcsendet – vagyis azt a zajt, ami megütötte a fülemet az IBM laboratóriumában.

A zaj, amit hallanak, a hűtés zaja. A légkondicionálás minden szerverteremben alapfeltétel, de az IBM Q hűtése közvetlenül a fehér tartályon belül zajlik. Abban lapul a brutális méretű, elsősorban rézből épült konstrukció. Ahhoz, hogy a Q működni tudjon, a hőmérsékletet állandóan az abszolút nulla tartomány közelében kell tartani. Ehhez egy úgynevezett dilúciós (hígító) hűtőberendezést használnak.

A Q működése némileg emlékeztet egy erősítőére. Fentről, a jelerősítőből (Qubit Signal Amplifier) szupervezető kábelek (Superconducting Coaxial Lines) futnak, egy hurokkal a közepükön; ezek továbbítják a mikrohullámon futó, több gigahertzes frekvenciájú jeleket a kriogenikus izolátorokba. A hűtésről nem ventilátorok gondoskodnak, hanem folyékony hélium és hidrogénizotópok elegye: ezzel csökkentik a berendezés hőmérsékletét 15 millikelvin, azaz mínusz 273 Celsius-fok közelébe.

Az alacsony hőmérsékletre azért van szükség, hogy a számításokban minimálisra csökkentsék a hibák számát. Minél magasabb a hőmérséklet, annál magasabb a hibaarány – és, mint elmondják, ez talán még fontosabb is, mint hogy hány kvantumbittel tud dolgozni a rendszer. (A Q 50 kvantumbites rendszer; ennek a prototípusa 2017-re készült el.)

Amikor kézbe veszem a Q processzorát, kicsit szédülni kezdek. Így érezhette magát Dave, a 2001: Űrodüsszeia főszereplője, amikor szétszerelte HAL 9000-et, az embert is felülmúló mesterséges intelligenciát. Itt az agya a kezemben! Forgatom a súlyos réz szigetelőlemezek közé rejtett apró processzort; a rácsavarozott nagyítólencsén keresztül nyomtatottáramkör-szerű rovátkákat látok egy félkörömnyi ablakocskán át. Egyszerre steampunk és űrtechnológia.

A reklámszakember Ginsberg jut eszembe a Mad Menből, aki a hatvanas évek Amerikájában feltűnő számítógépek jelenlététől golyózott be, és szokatlanul erős empátiát érzek iránta; de hát olvastam Stanislaw Lemet, szóval tudom, hogy az sem érne semmit, ha falhoz vágnám. Előbb-utóbb úgyis megépítené valaki – ha nem az IBM, akkor valaki más. Húsz év, és mindannyiunknál okosabb leszel, gondolom magamban, de a vonzalom erősebb – nehezemre esik tovább adni a csipet.

Nekem talán nem félelmetes, de a kibervédelmi szakemberek joggal lehetnek beszarva attól, hogy ez a gép, ha elvenni nem is fogja a munkájukat, de könnyűszerrel értelmetlenné teheti.

A ma ismert titkosítási protokollok – mint az SSL, a TLS és a HTTPS – biztosítják a felek közötti kommunikáció titkosítását. Az úgynevezett kriptográfiai primitívek, azaz a titkosítási algoritmusok kétfélék lehetnek: szimmetrikusak és aszimmetrikusak. Az előbbieknél mindkét fél ugyanazt a titkosítási kulcsot használja, az utóbbiaknál nem. A ma használt protokollok többnyire ennek a kettőnek a hibridjei: a kommunikáló felek között a nyilvános kulcsú primitívek titokban kicserélnek egy stringet, majd ezután váltanak át a jóval gyorsabb, szimmetrikus kulcsú titkosításra, és a közös stringet használják a titkosítás feloldására.

A ma ismert kibertámadások közül az egyik legprimitívebb és legelterjedtebb az úgynevezett brute force törés. Ilyenkor a legerősebb gépek a számítási teljesítményüket kihasználva nagyon rövid idő alatt végigpróbálhatják az összes hozzáférési kódot egy-egy rendszerhez – így törte föl az iPhone titkosítását egy biztonságtechnikai cég is, megkerülve, hogy az Apple hardvere többszöri próbálkozás után letiltsa a kísérletezést.

A brute force támadások ellen csak úgy lehet védekezni, hogy az információbiztonsági szakértők a saját biztonsági rendszereik komplexitását növeli. Ez a verseny nagyjából fej-fej mellett halad – mintha két autó gyorsulna egymás mellett. De a kvantumvilágban ez nem így megy: ott ez a hasonlat úgy nézne ki, hogy az egyik autó fokozatosan gyorsul, a másiknak pedig hatványozódik a sebessége. A különbség idővel behozhatatlanra nő.

De nem korai emiatt aggódni? Elvégre ha még húsz év van hátra egy működő kvantumszámítógép megjelenéséig, addig a mostani titkosítási protokollok is biztonságban lesznek, nem? Hát, nem. Már ma is vannak olyan kvantumalgoritmusok, mint a Shor-algoritmus, ami exponenciális erejű brute force támadásokat indíthat az olyan aszimmetrikus titkosítási sémák ellen, mint az RSA, az ECC vagy az ElGamel. Hasonló jellegű a Grover-algoritmus, ami megnégyszerezi a brute force támadások erejét a szimmetrikus titkosítási protokollok ellen.

Az IBM nemcsak a kvantumszámítógépek tervezésével foglalkozik, hanem évtizedekkel a megjelenésük előtt kitalálná a velük szemben alkalmazható védelmi eszközöket: ezt hívják kvantumbiztos kriptográfiának (quantum-safe cryptography). Némi helyzeti előnyt jelent, hogy a kvantumszámítógépek ugyan föltörhetik a a nyilvános kulcsú primitíveket, de ezek közül csak a digitális aláírásokat, illetve a nyilvános kulcsú titkosításokat kell kvantumbiztossá tenni. Ha ezeket lecserélnik, a legfontosabb protokollokat kvantumbiztossá tehetik.

Nyilván az IBM tudja a legjobban, hogy ez a rendszer mire lesz képes – csak természetes, hogy tartanak tőle, és megpróbálnak védekezni ellene. És jól is teszik, mert a titkosítások feltörése nemcsak az összes csevegőprogramot, levelezőt és tűzfalat veszélyezteti, hanem az olyan, a digitális aláírásra építő rendszereket is, mint a bitcoin. És akkor futhatunk a kriptovalutánk után.

De ez csak a jövő zenéje, az iparági elemzők szerint 2026 előtt nem számíthatunk rá – ma meg joggal tehetjük fel a kérdést, hogy

miért kéne beszarni egy olyan géptől, amin nem fut a Counter-Strike?

Ha az nem is, de videojáték már készült rá. Dr. James Wootton, a Bázeli Egyetem egyik kutatója készített rá egy torpedójátékot, a Quantum Battleshipet, amit nyilvánosan elérhetővé tett. Ez gyakorlatilag ugyanazt képviseli a kvantumszámítógépek világában, mint Steve Russel 1962-es SpaceWar!-ja – az első videojáték, ami az akkor elérhető legnagyobb teljesítményű mainframe-en futott, és ami a ma ismert, sokmilliárd dolláros videojáték-ipar első szívdobbanása volt.

Woottont 2017-ben kereste meg Talia Gershon, az IBM Q Experience menedzsere, hogy készítsenek egy játékot, ami közelebb viheti a kvantumelméletet a játékosokhoz, és hétköznapi platformokon is futtatható – ez lett a Hello Quantum, ami ingyen tölthető le az App Store-ból.

Anyaméhben kapálózás ide, húszéves fejlesztési idő oda, nem nehéz meglátni a párhuzamot az ötvenes-hatvanas évek hatalmas, egész termeket betöltő mainframe számítógépei és az IBM Q között. Azoknak a gépeknek a teljesítménye mai szemmel nézve nevetséges; az adattárolóik mágnesszalagok voltak, az adatfeltöltést lyukkártyákkal végezték, az egeret meg évtizedekig fel sem találták. Ehhez képest ez a cikk egy iPaden született, ami úgy egymilliárdszor okosabb a fél évszázados mainframe-eknél, és vékonyabb egy dossziénál.

Az IBM Q-hoz most még egy kisebb lakásnyi szerverterem kell, több vezeték lóg ki belőle, mint a Grateful Dead színpadi hangrendszeréből, a zaja egy betonkeverőt idéz, és egy torpedójáték futtatása a csúcsteljesítménye. Ezek még csak az első, lassú szívdobbanások, de már körvonalazódik, hogy milyen lesz az, amikor mindennél nagyobb sebességre kapcsol, és csak nézhetünk utána. Talán sosem lesz olyan kicsi, mint egy iPad, de elérheti, hogy épp olyan kicsinek érezzük magunkat mellette. És – bármilyen paradox – az a sztori és éppúgy az emberi nagyságról fog szólni.

(Borítókép: Hegyeshalmi Richárd / Index)