Gyönyörű, csak nem érdemes megvalósítani

A kvantuminformatika napjaink egyik legizgalmasabb kutatási területe. Nemcsak azért, mert óriási lehetőségek rejlenek benne, hanem azért is, mert még mindig egy sor komoly akadályt kell leküzdeni, hogy ezek a lehetőségek meg is valósulhassanak egyszer. Arról, hogy miért tartja mindenki olyan nagy dobásnak a kvantumszámítógépeket, miért olyan nehéz mégis megépíteni őket, és hol tart ma ez a terület, ebben a cikkünkben írtunk részletesen.

„Ez a folyamat engem arra emlékeztet, amikor Newton után a mechanikai törvényeket használva elkezdtek gőzgépeket építeni. Ezek mesterséges rendszerek, ezért olyan kérdéseket is felvethetnek, amelyeket a természetes jelenségek megfigyelése, de még az ezekre épülő kísérletek során se jutna eszünkbe feltenni. A gőzgép hatékonyságának vizsgálata vezetett például a termodinamika kidolgozásához, és ezen keresztül univerzális fizikai törvényszerűségek kimondásához.

Ilyenkor új fogalmak válnak fontossá, gyakorlatilag egy új nyelvezet alakul ki, amelyen új kérdések is feltehetők”

– magyarázta az Indexnek Kiss Tamás, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontjában működő Kvantumoptikai és Kvantuminformatikai Osztály osztályvezetője, miért kulcsfontosságúak a mai kísérletezések a kezdetleges kvantumrendszerekkel.

Magyar siker

A gyakorlatban is működő kvantumszámítógépek még igen szerény képességűek, komplexebb problémák megoldására nem alkalmasak. A kutatók szoftveres szimulációk használatával viszont összetettebb rendszereket is modellezhetnek, ami segíthet jobban megérteni ezeknek a működését, illetve megoldásokat találni a felmerülő problémákra.

Egy ilyen kvantumszimulációs szoftvert adott ki a közelmúltban a Microsoft is. Ez a LIQUi|>, vagyis kevésbé kiolvashatatlan formában Liquid nevű eszközkészlet, és a cég rögtön egy Quantum Challange nevű versenyt is kanyarított hozzá. Ebben arra bátorította a kutató-egyetemistákat, hogy való világból vett kvantumos problémákra keressenek működő megoldásokat a szimulátor segítségével.

Összesen öt projektet díjaztak, a fődíj mellett négy második helyet osztottak ki. Előbbihez 5000, utóbbiakhoz egyenként 2500 dolláros (685 ezer forintos) nyeremény is járt. A fődíjat a canberrai Ausztrál Nemzeti Egyetem fiatal kutatója, Thien Nguyen kapta még májusban, a „Dinamikus bemeneti-kimeneti kvantumrendszerek szimulációja” című pályázatával, de számunkra sokkal érdekesebb, hogy

Megvalósítani nem érdemes, de nagyon szép

Gilyén a pályázatában [pdf] különböző kvantumállapot-preparációs eljárásokat tesztelt a Liquid szimulátorral, mi pedig megkértük, hogy magyarázza el, mit is jelent valójában az előző mondat. A díjazott pályamunka két részből állt: az elsőben egy friss cikkük eredményeit mutatta be a szimulátorral, a másodikban egy új típusú kvantumalgoritmust vizsgált vele.

A Scientific Reportsban megjelent cikket Gilyén még a magyarországi Wigner Kutatóközpontban írta Kiss Tamás témavezetésével és Igor Jexszel, a Prágai Műszaki Egyetem dékánjával. Azt mutatták meg benne, hogy bizonyos speciális kvantumos rendszerek állapotának időbeni fejlődése úgynevezett komplex racionális törtfüggvények segítségével írható le.

„Ilyen racionális törtfüggvények vezetnek például a híres Mandelbrot-halmazhoz és sok más kapcsolódó gyönyörű fraktálhoz. A dolog különlegessége az volt, hogy mindezt egy fizikai rendszer valósította meg, amire nem sok példát találni. A Liquiddel egyszerűen tudtam szimulálni a kvantumos rendszert. A fraktálok képét a mérési statisztikák grafikus megjelenítése rajzolta ki, ezzel is igazolva az elméletünket” – mondta Gilyén.

Ez a téma egyébként nagyon ígéretes kutatási irányvonal volt, de Gilyén szerint kiderült, hogy az ilyen jellegű rendszerek kvantumfizikai megvalósítása elkerülhetetlenül hatalmas erőforrás-igényű lenne, és ezért a kezdeti reményekkel ellentétben nem valószínű, hogy valaha is lesz praktikus alkalmazása.

Elméleti érdekességként viszont továbbra is gyönyörű, nem véletlen, hogy az én ábráimmal demonstrálta a Microsoft a díjnyertes munkák színvolát.

Hasznos lehet, de még nem tudni, mire

A kvantumszámítógépek egyik nagy problémája, hogy gyakorlatilag még mindig csak 4-5 alapvető kvantumalgoritmus ismert, és minden feladat, amelyről tudjuk, hogy gyorsabban lehet majd megoldani kvantumszámítógéppel, ezen a néhány algoritmuson alapszik. Ahhoz, hogy több problémát és még hatékonyabban oldhassanak meg kvantumosan a kutatók, új építőblokkokra van szükség. Gilyén ezért a munkája második részében egy ilyen új típusú kvantumalgoritmust, a Moser-Tardos algoritmus kvantumos megfelelőjét vizsgálta. Ezzel az algoritmussal az a probléma, hogy egyelőre csak nagyon speciális esetekben ismert, hogy ténylegesen hatékonyan is működik.

Mivel ez egy alapvetően kvantumos algoritmus, nehéz megérteni, hogy pontosan mi is történik mialatt fut, legalábbis az általános esetben

– mondta Gilyén.

Itt jött képbe a szimuláció. Arra használta a Liquidet, hogy intuíciót szerezhessen az algoritmus működéséről. Az elég egyértelműen ki is derült ebből, hogy az általános esetben az egzakt megoldás megtalálására nem eléggé hatékony az algoritmus. „A szimulációk korlátai miatt nehéz megmondani, de úgy tűnik, hogy közelítő megoldás megtalálására viszont hatékony lehet. Most azon dolgozom, hogy a szimulációkban látottak alapján jobban megértsem az algoritmust, és be tudjak bizonyítani a működéséről néhány dolgot általánosan is.”

Gilyén szerint a jövőben ez az algoritmus hasznos lehet bizonyos szilárdtestfizikai rendszerek viselkedésének a megértésében vagy más fizikai rendszerek szimulációjában is, de hogy pontosan miben, azt még nehéz megmondani. A fő kérdés egyelőre az, hogy ténylegesen milyen pontossággal működik, utána látszik majd jobban, hogy pontosan mire lesz használható.

Gilyén jelenleg az Amszterdami Egyetemen és a CWI kutatóintézet QuSoft kvantumközpontjában kutat. A microsoftos versenyre vitt témák mellett a gépi tanulással és az abban rejlő kvantuminformatikai lehetőségekkel szeretne foglalkozni. Magyarországon a Wigner Kutatóközpontban szintén a kvantuminformatika volt a területe, de az ottani kutatásokban nagyobb hangsúly került a fizikai megvalósításhoz közelebb álló technológiákra, például a kvantumos bolyongásra.