Az IBM minden évben egyre több és több kvantumbitet tartalmazó processzorokat mutat be, amelyeket rendszerint valamilyen madárfajtáról nevez el: a Falcon kódnevű chip még csak 27 qubittal dolgozott, a Hummingbird már 65-tel, a tavaly bemutatott Eagle pedig 127 qubittal operál. A fejlesztések következő lépcsőfokát azok az új rendszerek jelentik, amelyeket a november 9-én kezdődő IBM Quantum Summit 2022 konferencián prezentált a nagyközönség számára a cég és természetesen köztük volt az idei, legújabb és legnagyobb teljesítményű kvantumchip is, az Osprey (Halászsas), ami több mint háromszor annyi qubitot tartalmaz, mint elődje.

A 433 qubitos processzor teljesítményének illusztrálására az IBM érzékletes képet festett: a leírásuk szerint a chip kvantumállapotainak reprezentálásához az ismert univerzum összes atomjánál jóval nagyobb számú klasszikus bitet kellene felhasználni. Az Eagle megjelenése idején hasonlóan erős képet használtak az összehasonlítás során, akkor Arvind Krishna, az IBM vezérigazgatója úgy nyilatkozott, hogy a chip erejével egy, a Földnél is nagyobb számítógép tudná csak felvenni a versenyt. A több qubit értelemszerűen nagyobb számítási kapacitással és bonyolultabb műveletek megoldásának képességével jár, de a kvantumszámítógépek használhatóságát sok tényező befolyásolja, a qubitok számának fokozása csak egy (bár fontos és alapvető) részét jelenti a rendszer működéséhez elengedhetetlen receptnek.

Az egyik hátráltató tényezőt azok a hibák okozzák, amelyek miatt a kvantumbitek kiolvasásának eredménye problémássá válhat: az érzékeny qubitokra ható környezeti interferencia zajossá teszi a kvantumrendszereket és hibássá a qubitok által közvetített információt, ez pedig nagyban visszaveti a kvantumszámítógépek megbízhatóságát és behatárolja a működésüket.

A hibajavító módszerek és algoritmusok ezért rendkívül nagy szerepet játszanak a kvantumszámítási kor eljövetelében

és a vállalatok nagy hangsúlyt helyeznek a megfelelő korrekciós metódusok kutatására. Az IBM a stabilitás elérésére beépített szűrőket alkalmaz, amelyek csökkentik a zajszintet, emellett a régebbi, koaxiális kábeleken keresztül történő mikrohullámú irányítást flexibilisebb kábelekkel váltották fel, hogy növeljék a munkateljesítményt. A Quantum Volume, vagyis a processzorok által megoldott számítások komplexitásának szintje szintén jelentősen magasabb lett: 128-ról 512-re emelkedett és a CLOPS (másodpercenkénti műveletek száma, amelyek során a processzor egy-egy áramkört befejez) 1400 helyett immár 15000. A CLOPS mértéket egyébként, a Quantum Volume-hoz hasonlóan az IMB alkotta meg a kvantumrendszerek teljesítményének mérésére és a sztenderdek létrehozására.

Az IBM a kvantumbitek számát már jövőre ezer felettire tervezi növelni, ekkor jelenik meg az 1121 qubitos Condor, ami a tervek szerint a legerőteljesebb kvantumprocesszor lesz majd és bemutatott egy új megoldást is a rendszer 4000 qubit felettire való skálázására, amit 2025-re szeretnének megvalósítani. A Quantum Systems Two berendezés különlegessége, hogy nem egy, hanem sok egymáshoz csatlakoztatott egységből áll, a többprocesszoros technológia pedig a "kvantum és klasszikus munkameneteket" integrálja. A cég által kvantumcentrikus szuperszámítási rendszernek nevezett moduláris, bővíthető architektúra 2023-ban lép működésbe és egy berendezés legalább 4158 qubit támogatására lesz alkalmas a processzorok összeköttetése által.

Több berendezés összekapcsolásával akár 16 632-ig növelhető majd a kvantumbitek száma,

de ez még mindig messze jár a Google által ígért millió qubitos méretű gépektől. És, még ha sikerül is valóban milliónyi kvantumbitet integrálni egy rendszerbe, akár a prezentált moduláris módszer segítségével, elég lesz ez a kvantumszámítógépek valódi fölényéhez a hagyományos bitekkel dolgozó gépekkel szemben?

A kérdésre más-más válaszokat adnak a cégek és kutatók, de annyi biztos, hogy a jelenlegi sikereket, amelyeket a kvantumelsőbbség bizonyítására szolgáló kísérletekben érnek el a szakértők, általában olyan feladatok megoldásával teljesítik, amelyeknek nincs sok gyakorlati haszna. Zimborás Zoltán, a Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos főmunkatársa az MTA Tudomány Ünnepe rendezvényének november 8-ai előadásán elmondta: ahhoz például, hogy beigazolódjon a kvantumszámítógépekkel kapcsolatos egyik legnagyobb félelem és tényleg képessé váljanak arra, hogy titkosításokat törjenek fel, még rengeteg fejlődésre van szükség. A számítások szerint egy 2048 bites RSA algoritmus feltörése 8 óra leforgása alatt egy 20 millió fizikai qubitos rendszerrel lesz kivitelezhető, ettől pedig egyelőre elég távol állnak a fejlesztések élvonalába tartozó cégek is.

Zimborás elmondása szerint a kutatók munkája alapján a jövőt egyfelől, hosszabb távon, a hibajavítási módszerek fejlesztése (a hibajavított gépek megalkotása), másfelől, rövidebb távon a közeljövőben létrehozható architektúrák építése jelenti, de a kettő összekötése fontos feladat és az ő kutatásai éppen ez utóbbinak a megvalósítását célozzák. Olyan hibamérséklő módszerek létrehozásával, amelyek megfelelőek a közeljövőbeli kvantumszámításhoz, de a kvantumelsőbbség eléréséhez is és még a 2030-as évekre elkészülő kvantumszámítógépekhez is segítséget nyújtanak, megépülhet a híd a különböző fejlesztési területek között.

A kutató szerint ugyan a hasznos kvantumfölényt még nem sikerült elérni, de a kvantumprocesszorok egyfajta koprocesszorként alkalmazva így is növelhetik a számítási hatékonyságot már rövid-, és középtávon is. Lehet, hogy a kvantumszámítógépek nem nyitnak teljesen új korszakot a számítástechnika területén és nem vetnek véget a klasszikus gépek uralmának, de részfeladatok megoldására és a hagyományos számítógépekkel való együttműködésre ideálisak lesznek, akár kevesebb qubittal is.

(Fotó: IBM, Getty Images/Bartlomiej Wroblewski)

Kvantumchipet terveztünk az IBM kutatójával Zlatko Minev kvantumfizikus, aki 2019-ben 'megmentette' Schrödinger macskáját, most megmutatta, hogyan tudnak egyszerű halandók is kvantumchipet tervezni pár egyszerű lépésben.