2019. február: ökológia, portré, jegyzet, innováció, egyetem, kémia, tudomány, Nemzeti Agykutatási Program, mikroszkópia, orvostudomány, régészet, genomika, anyagtudomány, kiállítás/konferencia, atomenergia, energiagazdálkodás, agrárium, fenntarthatóság, megújuló energia, zöldkörnyezet, ipar 4.0, mesterséges intelligencia, it, nanotechnológia
2019. február 7.

Szerző:
Bencze Áron

Kvantumszámítógép – a jövő szupermasinája?

Az egyelőre kísérleti fázisban lévő kvantumszámítógép képes lehet olyan számítások hatékony elvégzésére, amelyek a hagyományos, digitális számítógépekkel gyakorlatilag megoldhatat­lanok. Nemcsics Ákos, az Óbudai Egyetem Mikroelektronikai és Technológia Intézetének professzora szerint az új gép azonban nem alternatívája a jelenleg használtaknak, ezért talán nem is nevezhető a számítástechnikai eszköz evolúciós ugrásának. Mint fogalmazott, a kvantumszámítógép egészen egyszerűen más. A professzor segítségével annak próbáltunk utánajárni, milyen elven működik, és mire lesz elsősorban alkalmas a fejlesztés.


„A kvantumszámítógép (qubites) leszűkített szóhasználatban a szuper­po­nált és összefonódott állapotokkal operáló eszköz, melyben az információ alap­egysége nem a bit, hanem a qubit” – definiálta elsőként az alapfogalmat Nemcsics Ákos. Bármilyen meglepő, a kvantumszámítógép története több évtizedes, először 1980-ban Paul Benioff amerikai fizikus vetette fel, hogy a kvantummechanikát számításokra lehetne használni, rá egy évre Richard Feynman Nobel-díjas fizikus pedig meg is alkotta a kvantumszámítógép kifejezést. Mindössze négy évet kellett várni arra, hogy az Oxfordi Egyetem fizikusa, David Deutsch leírja, hogyan működne az akkor még csak elméletben létező fejlesztés. Az elmélet lényege: míg egy hagyományos számítógép esetében az információt bináris, más néven kétállapotú bitekben – a klasszikus bit bármely időben 0 vagy 1 állapotú – tárolják, a kvantumrendszer úgynevezett szuperponált állapotában a kvantumbit (qubit) egyazon időben tartalmaz olyan komponenseket, amelyek egyidejűleg több helyen, különféle állapotokban lehetnek. Éppen ennek a szuperponáltságnak köszönhetően a gép a különböző bemenő adatokat párhuzamosan dolgozza fel, és a kimenő adatokat szuperponált alakban hozza létre. A magyar származású Joseph Reger, a Fujitsu regionális technikai igazgatója, érzékeltetve a kvantumszámítógépben rejlő potenciált, a cég egyik müncheni rendezvényén úgy fogalmazott: egy 80 kvantumbites szimulációhoz a látható univerzummal azonos méretű hagyományos számítógépre lenne szükség, és egyetlen kvantumművelet elvégzése az univerzum életkorával azonos ideig tartana. A kvantumszámítógépek a konkrét számolásokat kvantumalgoritmusok segítségével végzik. Ezek a kvantumalgoritmusok egy és két kvantumbites műveletekből építhetők fel. Ezeket az elemi műveleteket és a műveleteket megvalósító fizikai eszközöket is kvantum logikai kapuknak nevezzük, és maga a kvantumszámítógép éppen ezeknek a kvantum logikai kapuknak az összessége. A kapuk meghatározott qubiteken hajtanak végre változtatásokat, ami aztán az egész összefonódott állapot megváltozását eredményezi.

A kvantumszámítógép nem a hagyományos számítógépek következő evolúciós stádiuma, ezért nem alternatívája a jelenleg is használt gépeknek, programozása teljesen más elven működik. Jelenleg a qubites gépekkel nem lehet a bitalapúakat kiváltani.

Egyszerűen más

„Amennyiben sikerül a kvantumszámítógép megvalósítása, akkor az a pár­huzamosság révén a klasszikus számítógépek számára kezelhetetlen problémákat oldhat meg – foglalta össze a fejlesztés jelentőségét Nemcsics. – Ez a modell nem a hagyományos számítógépek következő evolúciós stádiuma, hanem egészen egyszerűen egy másik utat nyit meg előttünk.” Mint fogalmazott, a kvantumszámítógép éppen ezért nem alternatívája a jelenleg is használt gépeknek, programozásuk teljesen más elven működik, és jelenlegi tudásunk szerint a qubites gépekkel nem tudjuk a bitalapú társaikat kiváltani, ráadásul alapvetően speciális feladatok elvégzésére lesznek alkalmasak. A professzor példaként a titkosításokat és kódolásokat említette, ugyanis egy qubites géppel készült titkosítás a hagyományos bitalapú géppel feltörhetetlen. De kémiai reakciók szimulálására vagy molekulaszerkezetek számolására is alkalmasak lehetnek ezek a szerkezetek. A kvantumszámítógépek nem csak a nagy számok törzstényezőinek megkeresésében lennének hasznosak, egyfajta természetes laboratóriumai lehetnének a kvantummechanikai összefüggések vizsgálatának. Ezekkel az eszközökkel, a megfelelő programok futtatása révén, a kutatók más kvantumrendszereket tanulmányozhatnának.

A kvantumszámítógépek alapvetően speciális feladatok elvégzésére lesznek alkalmasak, a klasszikus számítógépek számára kezelhetetlen problémákat oldhatnak meg. A kvantumszámítógép felgyorsítja az optimalizációt, egyszerre vizsgál nagyon sok összetevős kérdéseket, bizonyos problémák esetén pedig annyival gyorsabb lesz egy hagyományos számítógépnél, hogy a mai szuperszámítógépeknek is évmilliókig tartó számításokat tud majd gyorsan elvégezni.

A kvantumszámítógép emellett felgyorsítja az optimalizációt, egyszerre vizsgál nagyon sok összetevős kérdéseket, bizonyos problémák esetén pedig annyival gyorsabb lesz egy hagyományos számítógépnél, hogy a mai szuperszámítógépeknek is évmilliókig tartó számításokat tud majd gyorsan elvégezni. A hangsúly a „majd” szón van, ugyanis az elméleti sikereket a gyakorlatba még nem tudták átültetni. A korábban említett párhuzamosság sérül, miután a mérések idején a qubitek szuperpozíciója összeomlik, és egyetlen klasszikus állapotot vesznek fel. Problémákat vet fel, hogy a rendszer annyira érzékeny, hogy az összeomlást a legapróbb külső hatás is kiválthatja. Az 50 qubites géppel rendelkező IBM is mindössze 90 mikroszekundum, azaz milliomod másodperc erejéig volt képes a rendszert stabilizálni. A kvantumtechnológiában élenjáró Google, az Intel vagy a San Franciscó-i Rigetti nevű startup sem tudta ezt az időkorlátot lejjebb szorítani.

Szkeptikus gondolatok
Nem csak rajongói, szkeptikusai is vannak a kvantum­számítógépnek. Gil Kalai, a Yale és a Jeruzsálemi Héber Egyetem matematikaprofesszora például egy interjújában azt állította, hogy a köznapi értelemben működő kvantumszámítógép megépítésével alapvető matematikai problémák vannak. A Magyar Tudományos Akadémia tiszteletbeli tagjának választott elméleti matematikus az instabilitás és a sérülékenység mellett az úgynevezett zajosságot említi. „A zajon a számítási folyamat hibáit értem, a zajérzékenység pedig annak a mértéke, hogy mekkora a valószínűsége annak, hogy ezek a hibák hatással lesznek a folyamat kimenetelére. A kvantumszámítás a természet más jelenségeihez hasonlóan tele van ingadozásokkal, véletlen hibákkal, vagyis zajjal. Amikor egy kvantumszámítógép végrehajt egy műveletet, a qubit minden számítógépes ciklusban óhatatlanul sérül” – fogalmazott a tudós.
Boaz Barak, a Harvard Egyetem számítástudomány professzora 2017-ben egy esszében arról ír, hogy a szuperpozíciók okán a mainál nagyságrendekkel több, párhuzamos számítási folyamatot feltételező kvantumkapacitás kihasználása nem tisztázott. A fejlesztők által emlegetett kriptográfiai és faktorálási előnyöket hosszabb távon okafogyottá teheti a klasszikus, de már nanoáramkörök irányában fejlődő számítástechnika is.
Nemcsics Ákos szerint pénz és idő kérdése, hogy az említett problémákat kiküszöböljék a kutatások, és mint fogalmazott, szerencsére az ember alapvetően kíváncsi természet, és a tudomány alapvetően sosem a szkeptikusok kifogásaival foglalkozik, hanem mindig valami újat akar létrehozni.

Kvantumpontos irány

Míg a hagyományos számítógépek úgynevezett mikroelektronikai eszközök, azaz az egyes építőelemek főbb méretei mikrométer, illetve mikrométer alatti nagyságrendűek. A deklaráltan felhasadt kvantumállapotokat használó eszközök karakterisztikus mérete viszont már nanométer. „Tehát elviekben nagyságrendekkel kisebb méretű lehet a kvantumszámítógép »lelke«” – emelt ki egy fontos tényezőt Nemcsics Ákos, aki a megvalósítási alternatívákkal kapcsolatosan elsőként arra hívta fel a figyelmünket, hogy jelenleg több irány is versenyzik egymással. „Korábban a nagy számítógépeknél álltunk sorba lyukkártyáinkkal, ma már mindenkinek van saját laptopja. A kvantumszámítógépekkel most hasonló a helyzet. Attól, hogy populáris legyen, még eléggé távol vagyunk” – jegyezte meg. A jelenlegi számítógép áramköreinek megvalósítása alapvetően rajzolatkészítéssel, litográfiával történik. Nanoméretekben azonban ez az út nem járható. „A struktúrák kialakítása, például az atomok egyenkénti mozgatásával ugyan megold­ható, de műszakilag ez nem jó megoldás” – vélekedett a professzor. Véleménye szerint az egyik ígéretes lehetőség a kvantumpontos (kvantumpontokból álló) megvalósítás lehet, ez a fajta realizáció a bit- és qubitalapú gépek közötti információs kapcsolat lehetőségét is magában hordja, melyet tágabb értelemben vett kvantumszámítógépként lehetne aposztrofálni. Magyarázatképpen hozzátette: „Az elektronikus áramkörök, így a számítógépek is kvantummechanikai effektusokat kihasználva működnek.” A jelenlegi számítógépek processzorai digitális kapukból épülnek fel, azok alapegysége a tranzisztor, melynek működése szintén kvantummechanikai alapokon nyugszik. „A jelenlegi MOS-alapú technológia miniatürizálását egy megfigyelésen alapuló előrejelzés, a Moore-törvény írja le, mára pedig elérkeztünk abba a stádiumba, hogy a további méretcsökkentésnek a biztonságos működést veszélyez­tető, illetve ellehetetlenítő a hatása” – fogalmazott Nemcsics Ákos.

A technológia fejlődésével a hagyományos chipen lévő tranzisztorok száma növekszik, egy tranzisztor mérete egyre kisebb és kisebb lesz, közeledve a fizikai méretkorláthoz. Sürgető az igény új számítástechnikai elvek és új eszközarchitektúrák kifejlesztésére, hogy a növekvő számítástechnikai igényeket ki lehessen elégíteni. A jelenlegi bitalapú gépek miniatürizálására és a qbitalapú gépek rentábilis megvalósítására is megoldást jelenthet a kvantumpontos struktúra.

A technológia fejlődésével egyre nagyobb a készülékek integrációja, a chipen lévő tranzisztorok száma növekszik, egy tranzisztor mérete pedig egyre kisebb és kisebb lesz. Így közeledik a fizikai méretkorláthoz, feltehetően a Moore-törvény korszakának vége. Sürgető az igény új számítástechnikai elvek és új eszközarchitektúrák kifejlesztésére, hogy a növekvő számítástechnikai igényeket ki lehessen elégíteni. Mint folytatta, a miniatürizálás egyik következménye a disszipáció, azaz a hőelvezetés problematikája, ami egyebek között nem kívánt anyagtranszportot – például diffúziót – indukál­hat. „Éppen ezért új utakat kell keresni – szögezte le az Óbudai Egyetem oktatója, hozzátéve: – a méretcsökkentéssel, a kvantum­-behatárolás által a folytonos állapotok helyett megjelennek fel­hasadt, diszkrét energiaállapotok, melyek új lehetőségeket kínálnak. A legújabb tudományos eredmények által megnyílt a lehetőség arra, hogy logikai kapuk megvalósíthatóak legyenek kvantumpontokkal is. A csepp-epitaxia segítségével akár önszerveződő módon állíthatók elő ezek a struktúrák. Mint a fentiekből látszik: egyszerre két probléma jelentkezik, egyrészt a jelenlegi bitalapú gépek minia­tü­rizálása, másrészt a qbitalapú gépek rentábilis megvalósítása. Mindkettőre megoldást jelenthet a kvantumpontos struktúra.”

Magyarország is felzárkózik
Egy évvel ezelőtt, 2018 februárjában jelentették be a Magyar Tudományos Akadémia székházában a Nemzeti Kvantumtechnológiai Programot. Az akadémiai, felső­oktatási és vállalati kutatóhelyek összefogásával megvalósuló tervet négyéves működése alatt az állam 3,5 milliárd forinttal támogatja. A HunQuTech konzorciumot az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont vezetésével a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, az Eötvös Loránd Tudományegyetem, az MTA Energiakutató Központja, valamint az Ericsson Magyarország, a Nokia Bell Labs, a Bonn Hungary Electronics és a Femtonics alkotja.
Domokos Péter, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kutató­professzora és a konzorcium tudományos vezetője akkor úgy fogalmazott, a partnerek arra törekednek, hogy becsatolják Magyarországot az európai kvantum­internet kiépülőben lévő hálózatába, megőrizzék és javítsák a kutatók verseny­ké­pes­ségét a kvantumtechnológia területén. A projekt olyan eredményekre pályázik, mint a két pont közti kvantumosan titkosított kvantumkommunikáció és a kvantumbit műveletek végrehajtása, ami a kvantumszámítás alapja. A főbb célok közé tartozik továbbá egy atom-foton interfész építése, amellyel egy fotonban hordozott kvantum­információt beírhatnak egy atomba, így az hosszú ideig tárolható lesz – ezt a gyakorlatban kvantummemóriaként lehet használni. Az egyelőre még alapoknál tartó európai kvantuminternet-hálózathoz csatlakozás első lépéseként a projekt keretein belül megpróbálnak létrehozni ilyen kapcsolatot. Domokos Péter a négyéves ciklus ütemezéséről elmondta, hogy a program első éve a felkészülésről, a szükséges laboratóriumok kialakításáról szól, a kísérletek a második évben, azaz 2019-ben kezdődnek, a harmadik évet pedig a szakemberek által megalkotott eszközpark alkalmazására szánják. A fejlesztések gyakorlati megvalósítására a program záró szakaszában ke­rülhet sor. A négyéves projekten 17 kutatócsoport dolgozik majd, minimum 80 kutatóval, és összesen 38 feladatot állítottak maguk elé. A magyarországi kutatók egyetértenek abban, hogy annak ellenére is fontos a program megvalósítása, hogy az Amerikai Egyesült Államokban vagy Kínában már jóval korábban megkezdődtek a kutatások a témában. A Nemzeti Kvantumtechnológiai Program hatására természetesen nem válunk kvantumnagyhatalommá, ám ahhoz, hogy fel tudjunk készülni erre a korszakra, nekünk is komoly energiákat kell fordítani rá. Pálinkás József az alakuló ülésen – még a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal elnö­ke­ként – egyebek között úgy fogalmazott, hogy egyrészt alkalmazkodnunk kell a világ­­trendekhez, másrészt azokat a területeket érdemes kiemelten támogatni, ahol megvan az a kritikus tömeg, amely a siker esélyét növeli. Véleménye szerint hazánkban ez a kritikus tömeg létezik. Az Európai Bizottság is hangsúlyos szerepet szán a területnek, ezért célzott programokat indítottak, egy tíz éven keresztül 1 milliárd eurós alapból gazdálkodó program keretein belül. Ebben meghatározták a kvantumtech­nológiák négy pillérét, és az azokhoz kötött elvárásokat, 2035-ig bezárólag.

Nemcsics Ákos kitért arra is, hogy már Magyarország is komoly eredményeket tud felmutatni ezen a területen. Bíró László Péter és Tapasztó Levente csoportja az MTA Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fi­zikai és Anyagtudományi Intézetében gra­fén­kutatással foglalkozik, mely lehetőséget teremt (a szilícium helyett) az úgynevezett szénalapú elektronikának (a méretcsökkentés alapját teremti meg). A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen Imre Sándor professzor és csapata a kvantum­informatika, a kvantumszámítás és a qubites szoftverek területén végez kutatásokat, míg Csurgay Árpád egyetemi tanár és Csaba György docens a Pázmány Péter Katolikus Egyetem Informatikai Karán a nanoáramkör modellezése, a mágneses logikai áram­körök és a mágneses sejtautomaták tárgykörében értek el sikere­ket. Az Óbudai Egyetem oktatója ugyanakkor megjegyezte, a fo­lyamatos kutatások ellenére a szakemberek egyelőre nem túl optimisták a közeljövőben való megvalósítást illetően. A technológia első működő alkalmazásai olyan speciális funkciók segéd­elemeiként jelentek meg, mint a bonyolult matematikai problé­mák megoldása, a kvantumrendszerek modellezése vagy a strukturálatlan rendszerekben végzett keresés.•

 
2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

Hírlevél feliratkozás

Innotéka