Teller Edétől a kaszinókon át a kvantumszámítógépig

Ha a kvantumelmélet egyre „trendibbé” válása nem lenne elég apropó egy beszélgetéshez a kvantumszámításokkal foglalkozó Gilyén Andrással, az már az, hogy hamarosan megjelenik egy közel 400 oldalas könyv az amazonos együttműködésük gyümölcseként. Erről is faggattuk, illetve a kvantumteleportációról, de a kvantumszámítógépek jövőjéről is.

Nemrég mi is megírtuk, hogy a tudósokat élénken foglalkoztatja a kvantumteleportáció. Négy éve épp Gilyén András „akkori egyeteme”, a Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) és a NASA egyik kutatóintézete, illetve a JPL és a Fermilab részecskefizikai kutatóintézet közös kísérleteként 44 kilométerre teleportáltak kvantuminformációt. A kutató szerint

ezt valóban át lehet játszani, azaz »teleportálni«, de fizikai tárgyak, emberi test átküldése nem lehetséges.

Teller Ede és a szerencsejáték

Gilyén András mindenekelőtt fontosnak tartja megemlíteni a számítástudomány hőskorából származó Monte Carlo-módszert, ami a véletlen segítségével szimulál bonyolult folyamatokat egy számítógépen. A negyvenes években találta ki Stanislaw Ulam, az amerikai hadsereg titkos Los Alamos-i laborjában, a kódneve pedig azért lett ez (és nem Merkúr), mert Ulam nagybátyja sok pénzt vesztett a monte-carlói kaszinókban. Neumann János felismerte a módszer jelentőségét, és közösen vezették implementációját az első programozható számítógépre, az ENIAC-ra. A Monte-Carlo egyébként fontos szerephez jutott a hidrogénbomba fejlesztésében is. András hozzáteszi: „Ulam ötlete az volt, hogy ha valamilyen kölcsönhatást nem tudunk kiszámolni analitikusan, akkor szimuláljunk néhány véletlen részecskeutat, és végül átlagoljuk ki az eredményt.”

Az egyik legelterjedtebb Monte-Carlo-variáns a Metropolis algoritmus, amit Nicholas Metropolis 1953-ban publikált, de persze van magyar vonatkozása is: társszerzői Teller Ede és felesége, Auguszta Mária. Az algoritmus a mai napig használatos pénzügyi folyamatok szimulálására, áramlások, bonyolult rendszerek kölcsönhatásainak vizsgálatára. András és amazonos kollégái az elmúlt két évben fejlesztették ki ennek a legújabb kvantumos verzióját, ami reményeik szerint hasonlóan széles körben hasznosul majd.

Mikor arról faggatom, hogy került egyáltalán az Amazon közelébe, Gilyén András elmeséli, hogy 2019-től a Caltechen volt két évig posztdoktor, amikor az ottani mentorai közös együttműködésbe kezdtek a céggel, ami elmondása szerint mára sokkal több, mint könyváruház:

Az Amazon egyik legfőbb tevékenysége már 5 éve a felhő alapú informatikai szolgáltatások nyújtása. De nem volt ez mindig így, sokáig a Google és az IBM mögött kullogtak a fejlesztésekben, ezért is fogtak össze a Caltech munkatársaival.

Kvantumszimulációk az Amazonnál

A közös kutatóközpontban Gilyén András több egykori mentora is dolgozott – őt is felkérték, hogy csatlakozzon a csapathoz. Hosszú távon ugyan nem akart Amerikában maradni, de épp ekkor indultak be a karantén alatti online együttműködések, úgyhogy működött a távkapcsolat. 

Arra a kérdésre, honnan jött a most megjelenő könyv ötlete, András elmondja, hogy az Amazon kutatóközpontjában van egy algoritmikus részleg, és ennek a vezetője találta ki, hogy tisztázni kéne és felkutatni, hogy a kvantumszámítógépeknek melyek a legígéretesebb felhasználási módjai. Könyvük a lehetséges alkalmazásokról szól, számba véve az ismert megközelítések előnyeit és hátrányait is.

A kiadvány első verziója már szabadon elérhető a neten, és a Cambridge University Press gondozásában a végső változat is hozzáférhető lesz hamarosan. Sorra veszik az ígéretes felhasználásokat, például a kvantumrendszerek szimulációit, amelyek áttörésekhez vezethetnek a molekulák, kémiai folyamatok, speciális anyagok és szupravezetők felfedezése terén. Így hozzájárulhatnak akár a hatékonyabb műtrágyagyártáshoz, illetve új gyógyszerek felfedezéséhez is.

Bonyolult új anyagszerkezetek kifejlesztésekor a kvantumos szimuláció révén sokkal több lehetőséget lehet majd gyorsan és hatékonyan vizsgálni, és csak a legígéretesebb szerkezeteket kell költséges laboratóriumi teszteknek alávetni

– pontosítja András, és azt is hozzáteszi, hogy a kvantumszámítógépek jók a nagy számok prímtényezőkre bontásában, és bizonyos optimalizációs feladatokban is. Előbbi az internetes biztonsági rendszereknél fontos, a weboldalak, bankkártya-titkosítások ugyanis feltörhetők kvantumszámítógépekkel, de a kutatók jelenleg is dolgoznak a kvantumbiztos titkosításon, amelyre néhány weboldal és alkalmazás már át is tért.

Egyre nagyobb gépek

Körülbelül ezer kvantumbit van a legnagyobb gépben most, de mekkora kvantumszámítógép kellene az első alkalmazások megvalósításához? Közel milliós nagyságrendű. „Ahogy egyre nagyobbak lesznek a gépek, úgy egyre több területen lehet majd őket alkalmazni. Idővel a kvantumszámítógépeknek nagy szerepe lehet a mesterséges intelligencia tanulási folyamatainak optimalizálásában is, de ehhez már igazán nagy gépekre lesz szükség.”

Gilyén Andrásék a Caltechen próbálkoznak azzal is, hogy megismertessék és megbarátkoztassák az emberekkel a kvantum-számítástudomány lehetőségeit. Ezért fejlesztettek ki egy kvantumos sakkjátékot is, amiben egy figurával nem csak egyet lehet lépni, hanem több mezőre is mozdulhatunk egyszerre „kvantumos szuperpozícióban”. Ez persze egy érdekes, új szabályrendszert igényel.

A jövő generációinak beavatását is fontosnak tartják, Gilyén András amszterdami kollégái kidolgoztak egy jegyzetet a kvantumszámítás alapjairól, amihez nem kell komoly háttértudás – erre támaszkodik a középiskolásoknak tartott szakkör a Rényiben, ahova lelkesen járnak is a diákok, hogy elsajátítsák a kvantum-számítástudomány újfajta szemléletmódját.

(Borítókép: Gilyén András. Fotó: Szollár Zsófi / Index)