Mire lesznek jók, hogyan fogják átalakítani az életünket a kvantumszámítógépek? A laikusok számára alig megérthető, mágikusnak ható kvantumfizika elvei szerint működő gépeket az atomoknál kisebb, alig megfigyelhető részecskék fogják működtetni. A korábban elképzelhetetlenül bonyolult kérdésekre adott gyors válaszaik nem igenek és nemek lesznek, hanem valószínűsége, és a jövőt rejtik magukban. Legalábbis erre fogad most mindenki, aki kvantumszámítógépekkel foglalkozik.
A cikk nyomtatható, pdf formátumban is elérhető. Kattints ide!
A most még gyerekcipőben járó kvantumszámítógépek megnyithatják az utat az eddig csak mesékben elképzelhető gyógyszerek, anyagok létrehozása felé. Olyan szervezési feladatokat oldhatunk majd meg a segítségükkel, amit eddig lehetetlennek tartottunk. Az új technológia valószínűleg átír mindent, amit például a kriptovalutákról és a mesterséges intelligenciáról ma gondolunk.
Kép forrása: medium.com
Jobban megérhetjük a természetet
A klasszikus számítógépeink jók az adatok tárolásában és a kisebb adattömbök elemzésében. Viszont ezeknek a gépeknek rendkívül nehéz olyan helyzeteket szimulálni, ahol a kis változtatások több ezer lehetőséghez vezetnek. A jelenlegi időjárás-előrejelzések például csak a következő napokra pontosak. A hiba exponenciálisan növekszik, minél távolabbra akarunk látni. Nagyváros méretű szuperszámítógépekre lenne szükségünk ezeknek az összetett számításoknak az elvégzéséhez.
A kvantumszámítógépek segítségével nem csak az időjárást fogjuk tudni pontosabban előre látni, de képesek leszünk egész ökoszisztémák fejlődését szimulálni, pontosabban lehet majd modellezni a részecskék, molekulák viselkedését.
A gyógyszeripar így hatásosabb, akár személyre szabott szereket tud majd készíteni rövid idő alatt. Ha megvalósulnak a fejlesztők elképzelései egy veszélyes vírus megértése, a lehetséges védekezési stratégiák kialakítása, és a megfelelő gyógyszerek elkészítése pár hét alatt elvégezhető lesz.
Az Összkép a magyar társadalom és gazdaság működéséről szóló elemzések magazinja. Iratkozz fel hírlevelünkre, kövess minket, ha szeretnéd mélyebben megérteni, hogyan működik Magyarország.
Az ipar is profitálhat, az összes eddiginél könnyebb és teherbíróbb, környezetszennyezés nélkül gyártható anyagokat fejleszthetnek majd a kvantumszámítógéphez hozzáférő mérnökök. Elkészülhet a tökéletes bioüzemanyag, az acélnál keményebb a műanyagoknál könnyebb építőanyag. A kenyér is olcsóbb lehet, hiszen a klímaváltozás és parazitaállóbb növények létrehozásában is nagy szerepet játszhat a világot alkotó részecskék jobb ismerete, ami jobb aratáshoz és több élelmiszerhez vezethet. Az anyagok összetételének részletesebb szimulálásának köszönhetően talán gyártani tudunk majd az űr és a Föld között tömeges szállítást lehetővé tévő űrlifthez szükséges, önmaga súlyát elbíró ötezer kilométer hosszú kábelt is.
A kvantumszámítógéptől a kvantummechanika modellezését is várják, és ezáltal ennek a területnek a jobb megértését. Azt, hogy ezzel pontosan mit nyer az emberiség, még nem lehet tudni, de eddigi tapasztalataink alapján a természet jobb megértése mindig előnyt jelentett. Például ki gondolta volna, hogy a részecskék spinjének vizsgálata elvezet az MRI készülékek létrejöttéhez, vagy a Neumann-elvű számítógépektől eljutunk az internetig majd a közösségi médiáig, ahol többek között a világ vezető politikusai fognak 280 karakterben kommunikálni.
Kép forrása: Popular Science weboldal
Nehezebb helyzetekre is megtalálhatjuk az optimális megoldást
A jövő kvantumszámítógépei nagyban javíthatják majd a kereskedelmi útvonalak kihasználtságát, olcsóbbá, gyorsabbá és biztonságosabbá tehetik a gyártási folyamatok, az ellátási láncok szervezését. A D-Wave cég hibrid gépeivel (kvantumszámítógép és klasszikus számítógép keveréke) már jelen van ezen a piacon és ügyfeleinek optimalizációs megoldásokat biztosít – például a Toyota vagy a Volkswagen is velük dolgozik. Valószínű az ambíciókban és adatokban gazdag nagy globális vállalatok vagy a kínai gazdaság központi tervezői is nagy álmokat fűznek ahhoz, hogy a megnövekvő számítási kapacitásokkal mennyivel lesz könnyebb megvalósítani a piaci mechanizmusok nélkül is hatékonyan irányítható gazdaság rendszerét.
A Kriptovaluták meg nem született világa is készülhet az átalakulásra
A jövőbeli kvantumszámítógépek nagyobb számítási kapacitása gyorsabb kriptovaluta bányászatot is jelent. A Forbes cikke szerint azonban kicsi az esélye, hogy ez felborítsa a kripto piacot, valószínűleg az átállás ugyanúgy fog menni, mint ahogy univerzális gépek helyett sok bányász specifikus, erre a feladatra épített chipeket tartalmazó eszközre tért át az elmúlt időszakban.
Azt azonban minden kvnatumgépekkel foglalkozó cikk megemlíti, hogy a nagy számítási kapacitás veszélyt jelent a digitálisan tárolt vagyonunkra, adatainkra. A kriptotárcákat, a bankszámlákat, internetes tevékenységünket sok számjegyű prímszámokra épülő titkosítás védi, amit a kalsszikus számítógépek nem tudnak visszafejteni. A kvantum számítógépek magasabb számítási kapacitása képes lenne erre, és az algoritmus már 1994 óta megvan hozzá. Elméletben létezik a kvantum számítógépek számára is feltörhetetlen titkosítás, azonban ahogy a hadászatban is állandó az áthatolhatatlan fal és a mindent áttörő lövedék harca, az informatikában is komoly átalakításkat kényszerít ki majd a kvantumgépek fejlődése.
Mikor kédez majd vissza a gép?
A kvantumszámítógépeken tanuló kvantum mesterséges intelligenciák valószínűleg, nem csak a goban és a sakkban lesznek jobbak az embernél. Talán tényleg megvalósulhat az önvezetés, sok a mai technológiák mellett gazdaságosan csak ember által elvégezhető tevékenység vállhat az új generációs robotok feladatává. Talán eljön az az idő is, amikor a gépek nem csak a nekik feltett kérdéseket válaszolják meg, hanem azt is képesek lesznek feltárni, melyek azok a kérdések, amelyek megválaszolása közelebb visz absztrakt céljainkhoz.
Azonban ne dobjuk ki a laptopjainkat – Lesz, ami marad. A jövő kvantumszámítógépei speciális, szuperszámítógéphez méltó feladatokat teljesítenek majd, nem az asztali számítógépeinket fogják helyettesíteni. Az emberek életében nem ez, hanem az összes többi fent említett tényező fog változni, amennyiben elterjednek a zajmentes, nagy számú qubittal operáló gépek. A mai számítógépek megmaradnak, marad a világnak olyan része, ahol a pár évezred alatt kifejlődött logikai megközelítésünk (az igen és a nem kizárja egymást) érvényben marad. A mechanisztikus gondolkozást nem mindenhol írja felül az egymással ellentétes válaszok lehetőségére épülő, a mindent mindennel összekapcsoló, tiszta válaszok helyett csak valószínűségekkel dolgozó kvantumvilág.
Mi az a kvantumszámítógép?
A jövő kompúterei a mikroszkópikus világ: a részecskék, atomok, molekulák világágban érvényesülő kvantumfizikára épülnek. A hagyományos számítógépeink 0 vagy 1 értékeket felvevő bitekkel működnek, a kvantumszámítógépekben pedig qubitek (kvantumbitek) vannak, amik a szuperpozíciónak nevezett állapotukban egyszerre veszik fel mind a két értéket.
Egy másik fontos tulajdonsága ezeknek a qubiteknek az összefonódás – ez azt jelenti hogy az összefonódott érszecskék állapota automatikusan ugyanúgy/ összehangoltan váltzozik. A kvantumszámítógépben az összefonódást erőforrásként, a qubitek számítási szorzójaként használják. Ahogy egyre több qubit fonódik össze, a rendszer számítási képessége nem lineárisan, hanem exponenciálisan növekszik, ez adja a konstrukció erejét.
Az összefonódás és a szuperpozíció a kvantumszámítógépek gyenge pontja is egyben: a külvilág legapróbb rezülése is megtörheti a qubitek között létrejött törékeny összefüggést vagy az állapotukat. Ahogy egy külső hatás megzavarja az egymással összefonódó qubiteket, a kvantumszámítógépek zajosak lesznek és a számítási válaszok megbízhatatlanná válnak. Az ezzel foglalkozó tudósok azon dolgoznak, hogy ezt különböző korrekciós eljárásokkal kiküszöböljék, de még nem létezik zajmentes gép. Emiatt a kvantumszámítógépekre írt algoritmusok eredményei valószínűségek – egy programot százezerszer le kell futtatni, hogy megkapjuk a választ, ami inkább egy skála (az eredmények összesítése), mint egy darab szám. Vagyis a kvantumszámítógépekre írt algoritmusok eredményei a különböző kimenetelekre adható valószínűségek, míg egy program lefutásával egy konkrét kimenetet kapunk. Így tehát, egy programot akár több százezerszer kell lefuttatni ahhoz, hogy kirajzolódjon, hogy a különböző kimenetek milyen relatív valószínűséggel fordulnak elő.
Több technológia is versenyzik egymással a kvantumszámítógépek területén. Az IBM csillárszerű modellje közel 0 kelvinre hűtött chipeket használ, az IonQ amerikai vállalat lézerrel irányítottt itterbium ionokkal dolgozik, a Rigetti vállalat mikrohullámokkal és elektronokkal, a PsiQuantum pedig a fény alkotóelemével, fotonokkal épít kvantumszámítógépet. Eddig úgy tűnik, hogy a Google és az IBM által is használt szupravezető hűtött atomos technológia a legjobb, de a verseny még nem dőlt el.
Lenyűgöző, de gyerekcipőben jár
A MacKinsey globális tanácsadó cég elemzése szerint 2030-2035-re jut el oda az emberiség, hogy széles körben használható kvantumszámítógépekkel rendelkezzen.
A Google 2019-ben jelentette be a „kvantumfölény” elérését: 53 qubitot tartalmazó kvantumszámítógépe 200 másodperc alatt megoldott egy problémát, amihez egy hagyományos szuperszámítógépnek 10.000 évre lenne szüksége. Ezt természetesen a versenytársak vitatják, valamint a zaj miatt lehet, hogy nem is biztos, hogy jó a kvantumszámítógép megoldása. Egy olyan kvantumszámítógépnek, ami nem csak egyfajta specifikus probléma megoldására hasznos, hanem komplex problémák megoldására is képes 1 millió összekapcsolódó qubitot kell majd kezelnie, minimálisra csökkentve a külső zaj miatti tévedés valószínűségét Ettől ma még távol állunk, az IBM 2021-ben megjelent processzora, 127 qubitet tartalmaz.
Az IBM kvantumszámítógépe. Forrás: ibm.com
Jöhet a kvantum kor
A kvantumszámítógép és kvantumkommunikáció piaca nő, 2021-ben 700 millió dollárral több pénz volt benne (összesen kb. 2,1 milliárd dollár), mint 2020-ban. Kína az elmúlt öt évben 15 milliárd dollárt fektetett ebbe az iparba, az Európai Unió pedig 7,2 milliárd dollárt irányzott elő a 2021 és 2027 közötti időszakra. Az USA-ban a privát befektetők szerepe a meghatározó. Azonban a kvantumszámítástechnika csak óvatosan kezelt ígéret – hasonlóan a fúziós reaktorhoz. Jóval kevesebbet költenek rá, mint az ágazat hagyományos technológiának fejlesztésére. Nem tudjuk, tényleg a kvantumszámítógépek rejtik-e a jövő kulcsát, de a tudósok, a kockázati befektetők és a kormányzatok komoly összegekben hajlandóak fogadni rá. Ha sikerül megvalósítani a fejlesztők céljait, mind a gazdaság működését, mind hétköznapjainkat alaposan átalakíthatják majd a kvantumszámítógépek alkalmazásai.
Köszönöm azokat a beszélgetéseket, amik alapján elindult a cikk írása Solymos Adriánnak, az ELTE fizikus doktoranduszának.
