A kvantumszámítás története régre nyúlik vissza, több mint negyven évet kell visszautaznunk az időben, ha a jelenleg alakuló kvantumos rendszerek kiinduló forrását keressük. Nem lehet persze a teljes terület indulását egyetlen időponthoz kötni, de az nyilvánvaló, hogy bizonyos fizikusok nagy hatással voltak a kvantumszámítógépek koncepciójának megalkotására, közülük is kiemelkedően nagy szerepet játszott Richard Feynman és 1982-ben tartott beszéde a számítógépes fizikai szimulációkról.

“Lehet a fizikát szimulálni egy univerzális számítógépen?”

- tette fel a kérdést Feynman, hozzátéve, hogy ennek a komputernek a megfelelő működés érdekében pontosan kell imitálni a természetet. “Meg tudjuk ezt tenni egy újfajta számítógéppel - egy kvantumszámítógéppel?” A fizikus arra jutott, hogy a kvantumos jelenségeket nehéz, vagy lehetetlen lenne egy klasszikus számítógépen pontosan utánozni és azóta körvonalazódott, hogyan is nézhet ki a valóságban ez a nem-klasszikus számítási rendszer, ami korábban nem látott lehetőségeket nyit meg a kutatások terén.

A kvantumszámítógépek a klasszikus gépek bitjei helyett qubitokkal dolgoznak, vagyis az információt nem az egyeseket és nullákat jelentő bitek, hanem a lényegében egyszerre egyes és nulla értéket is hordozó kvantum bitek képviselik: a qubit a szuperpozíció jelensége miatt egyes vagy nulla értéket csak akkor vesz fel, ha megfigyelik, azaz kiolvassák. Emellett a kvantum bitek összefonódott állapotba is kerülhetnek, aminek következtében az állapotuk kölcsönösen függ egymástól. Az eredmény egy sokkal gyorsabban dolgozó, bonyolultabb problémákat megoldani képes rendszer, amit azonban közel sem csak a kvantumfizikai jelenségek jobb megértésére, hanem nagyon is gyakorlati célokra is fel lehet használni.

A kvantumszámítógépekben az elmúlt években sok cég és intézmény látta meg a lehetőséget és verseny alakult ki a kvantumelsőbbség megszerzéséért és a minél kevesebb hibával, több qubittel és nagyobb stabilitással üzemelő rendszerek kialakításáért. Kvantumfölényről vagy kvantumelőnyről akkor beszélhetünk, ha ezek a gépek képesek olyan számításokat elvégezni, amit a hagyományos gépek nem, vagy csak nagyon hosszú idő alatt (évek, évtizedek, évszázadok vagy még hosszabb idő alatt) oldanának meg.

A nagy ígéretek a millió-qubites számítógépekről és az elképesztő eredményekről azt a benyomást kelthetik, hogy a kvantumszámítógépek egy egészen új jövőt hoznak és ez a jövő már nagyon közel van,

de valójában még mindig az úgynevezett NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum, zajos, köztes-méretű kvantumgépek) korszakában vagyunk, nem igazán értük el az FTQC (Fault-Tolerant Quantum Computers) idejét vagyis a hibamentes rendszereket, amelyekben a számos fizikai qubitből felépülő logikai qubitekre alapozott számítási folyamatok megbízhatóan működnek.

A hasznos kvantumszámítógépek érkezését nagy várakozás övezi, de valójában hol tartanak ma a fejlesztések, mire lehet alkalmazni az új számítási rendszereket és mit hoz a jövő? A Robert Bosch Kft. és akadémiai együttműködésével megrendezett ReAQCT konferencián többek között ezeket a kérdéseket is boncolgatták a résztvevők, hogy fény derüljön a kvantumalgoritmusokkal, a kvantumos szoftverekkel, a kvantumos hibajavítással és a kvantumszenzorokkal kapcsolatos fejlesztések részleteire és a kvantumos számítás egyéb rejtélyeire, valamint az intézmények bemutathassák a legfrissebb kutatási eredményeiket. A konferencián Thomas Strohm, a Bosch Research kvantumtechnológiákért felelős vezető szakértője avatott be minket a kvantumszámítógépek jelenének és jövőjének részleteibe és azt is elárulta, melyik az a terület, amelyen a kvantumszámítógépek először válhatnak igazán hasznossá.

Léteznek már hasznos kvantumszámítógépek?

A kutató szerint a kvantumszámítógépek valóban rendkívüli áttörést hozhatnak, új utakat nyitva meg a kutatások előtt, de a kvantumforradalom talán nem olyan látványos módon zajlik majd, ahogy azt az elmúlt idők nagy bejelentései alapján gondolhatnánk. A kvantumszámítógépek fejlődése előtt még nagy út áll és a jelenleg használatban lévő rendszerek csak az első lépéseket jelentik a kvantumos alkalmazások széles körű elterjedésében.

“A kvantumszámítógépek ebben a pillanatban még nem igazán hasznosak a valódi alkalmazások szempontjából.”

- mondta el Strohm, lehetséges, hogy még éveket kell várni a hatékonyabb rendszerek elérésére. Ami jelenleg a legfontosabb kutatási területet jelenti, az maguknak a kvantumszámítógépeknek a vizsgálata, annak a jobb megértése, hogyan működnek, mire lehet használni őket és mik lesznek a fő felhasználási területek. Hogy pontosan mikor érhetik el a valódi hatékonyságot, az nagyban függ az alkalmazás természetétől: egyszerűbb anyagok szimulációjára, kisebb molekulák fejlesztésére már öt éven belül alkalmassá válhatnak, ennél bonyolultabb feladatokra, nagyobb molekulák, anyagok szimulációjára, bizonyos fizikai rendszerekkel kapcsolatos számításokra akár tíz, tizenöt évet is várni kell.

Titkosítás - küszöbön a kvantumapokalipszis?

A kvantumszámítógépek egyik nagy lehetőségét és egyúttal nagy veszélyét a most használatban lévő titkosítási módokra gyakorolt hatása jelenti: egyfelől a kvantumos megoldásokkal sokkal biztonságosabb titkosítási technikák hozhatók létre, másfelől viszont a hackerek az RSA-alapú algoritmusokat egyes előrejelzések szerint már a 2030-as évek elején feltörhetik a kvantumszámítógépek segítségével. Strohm ezt az időpontot későbbre teszi, szerinte az ilyen típusú kódfeltörés inkább tizenöt-húsz év múlva jelenthet valós fenyegetést, de ez nem jelenti azt, hogy nem kell elkezdeni foglalkozni a problémával, sőt, minél előbb fel kell készülni a veszély elkerülésére. A kvantumos véletlenszám-generátorok, amelyek fejlesztésén a kutató is dolgozott néhány évvel ezelőtt, a kulcsgenerálást a mostaninál biztonságosabb módon oldhatják meg, így az erre alapozott titkosítási platformok potenciálisan megvédhetik a felhasználókat attól, hogy a jövő kiberbűnözői hozzáférjenek az adataikhoz. A kvantum-érában is működő adatvédelmi módszerek iránt főként a kormányzati szervek érdeklődnek, de a kommunikációs infrastruktúrák gerincének kiépítésében is nagy szerepet kapnak majd.

Van azonban nem-kvantumos alternatíva a probléma megoldására, matematikai módszerek a poszt-kvantum kriptográfia területéről.

Ezek könnyebben alkalmazhatóak, mint a jellemzően optikai szálakat, új berendezéseket igénylő kvantumos kriptográfia.

Gyorsabbak, de mennyi lesz belőlük?

A kvantumszámítógépek nagy ígérete, hogy bizonyos problémák megoldásának terén jóval gyorsabbak lesznek a mostani klasszikus számítógépeknél és ez nem elhanyagolható tényező: az előnyük akkora lehet, hogy az általuk egy-két nap alatt elvégzett számításokat egy hagyományos gépnek évmilliókba telhet megoldani.

“Ez a különbség a kivitelezhető és a nem kivitelezhető között - ha elméletben egy adott feladatot el lehet végezni hagyományos számítógéppel, de a folyamat évmilliókat vesz igénybe, akkor az egyenlő a kivitelezhetetlennel.”

- mondta el Strohm. A klasszikus gépek, akár a nagy teljesítményű szuperszámítógépek, viszont sokkal elérhetőbbek az emberek számára, ezért felmerül a kérdés, hogy a kvantumszámítógépek nyújtotta hatalmas előnyöket vajon hogyan tudják majd kiaknázni a kutatók, kinek lesz hozzáférése a limitált számban megjelenő, bonyolult kvantumos gépekhez. A most használatban lévő kvantumszámítógépeket a gyártók felhőalapú szolgáltatásokon keresztül osztják meg a felhasználókkal, viszont olyan kvantumszámítógépek fejlesztése is zajlik, amelyek egészen kis méretűek, nem foglalnak akkora helyet, mint a jelenleg elérhető kvantumszámítógépek, amelyek közül némelyik modell hatalmas kriogenikus hűtési rendszert tartalmaz, így kezelhetőbbek és könnyebben elhelyezhetőek lesznek. Ezeket a jövőbeli, kis méretű kvantumszámítógépeket akár otthon is lehet majd használni, ellentétben a szupravezető kvantumszámítógépekkel, amelyeknek óriási hűtési igényük miatt szerves részét képezi az aranycsillárhoz hasonló külsejű, komplex hűtőberendezésük.

Az első valódi felhasználási terület: az anyagkutatás

A Bosch kutatói a manapság megszokott módon, felhőszolgáltatáson keresztül használják az IBM kvantumszámítógépeit, amely révén nem csak a kvantumrendszer, hanem a Quiskit Runtime program is hozzáférhető, ami megkönnyíti a munkák megszervezését és kivitelezését. Az IBM 2022-ben kötött szerződést a Bosch-sal, aminek értelmében a két cég közösen igyekszik megoldást találni az elektromobilitással, a fenntartható energiaellátással és a szenzoros technológiákkal kapcsolatos kihívásokra új anyagok fejlesztése által. Strohm elmondása szerint ez a terület, tehát az anyagkutatás az első valóban hasznos felhasználási kör a kvantumszámítógépek számára, mivel egyrészről az anyagok szimulációja olyan bonyolult feladat, amihez a klasszikus számítógépek sok esetben kevésnek bizonyulnak, másrészről viszont egy kvantumszámítógép számára az anyagok szimulációja viszonylag könnyűnek tűnik. A kutatások célja, hogy jobb és hatékonyabb akkumulátorok, üzemanyagcellák, mágnesek és más alkatrészek születhessenek, amelyek növelik a teljesítményt és az energiahatékonyságot.

“Sok anyag van, aminek a szimulációját nem lehet megvalósítani hagyományos számítógépeken, mivel a folyamat millió évet venne igénybe. Ezért használunk inkább kvantumszámítógépeket.”

- árulta el a kutató. A most zajló munkák még a tesztelést szolgálják, a kézzelfogható termékké alakítható eredmények a későbbiekben jöhetnek. “Ezek a legelső lépések, még nagyon távol vagyunk attól, hogy olyan szimulációkat is végezzünk, amelyeket egy klasszikus számítógép nem lenne képes megcsinálni. Eljön az az idő is, talán már kettő vagy öt év múlva, de még nem tartunk ott.” A tesztelések segítenek megtalálni a kvantumrendszerek alkalmazási módjait, az IBM és más cégek által készített kvantumszámítógépek újabb generációi pedig előbb-utóbb alkalmassá válnak arra, hogy elérjék a kvantumelsőbbséget és az anyagkutatás forradalmát elhozzák. Ehhez először szükség lesz a jelenleginél több qubittel és nagyobb megbízhatósággal, kevesebb hibával dolgozó rendszerekre.

Hány qubitet ígérnek a cégek?

A Google már beharangozta az egymillió kvantum bittel működő kvantumszámítógépét, egy ilyen hatalmas rendszer azonban igen ambiciózus vállalás: minél több kvantum bitet tartalmaz egy gép, annál nagyobb hűtőrendszerre és annál több kábelre van szüksége az üzemeléshez, ami jelentősen bonyolítja az építését. A cég 2021-es bejelentésében az évtized végére, 2029-re ígérte az egymillió qubites, hibamentes rendszert, nagy kérdés, hogy az elkövetkező öt évben történik-e akkora változás a kvantumkutatások terén, ami lehetővé teszi ezt a fejlődést. Más cégek ennél talán mérsékeltebben jelölik ki az időpontokat és az ütemtervet: az IBM például tavaly év végén jelentette meg Condor elnevezésű 1121 qubites processzorát, amit 50%-kal növelt qubitsűrűség jellemez az elődeihez képest és közel másfél kilométernyi flexibilis kábelt tartalmaz a hozzá tartozó kriogenikus hűtőn belül.

A vállalat idén a Heron processzorral a 2000 logikai kapus rendszert tervezi elérni, 2029-re pedig a szerénynek tűnő, 200 qubites Starling processzort fogják bemutatni, amit azonban 100 millió logikai kapu és hibajavított működés jellemez majd.

Lassú forradalom

A fejlettebb gépek képességeinek köszönhetően előbb-utóbb elérhetőek lesznek azok az alkalmazási területek, amelyekkel általában a kvantumszámítógépeket kapcsolatba hozzák: a pénzügy, a titkosítás/adatvédelem, a logisztika terén minden bizonnyal nagy előrelépésekre lehet majd számítani, de, ahogy Thomas Strohm is említette, a kvantumszámítógépek térnyerése előbb inkább az anyagkutatásban mutatkozhat meg. Több cég is, mint például a Multiverse Computing, egyelőre a kvantumtechnológia által inspirált számítástechnikai megoldások irányába mozdul, amelynek során hagyományos gépeken klasszikus, ám kvantumosnak tűnő algoritmusokat futtatnak vagyis a klasszikus gépek és a kvantumos megoldások együttműködésével hoznak létre alkalmazásokat.

“A kvantumszámítógépek valóban fontos új technológiát képviselnek majd”

- véli a kutató - “de a fejlődésük lassan, lépésről lépésre halad.”

Nehéz megmondani, hogy mikorra várható a hasznos kvantumszámítógépek korának beköszönte, annyi azonban biztos, hogy a hatásukat mindannyian megérezzük majd az eredmények révén, amelyek az újfajta számítási rendszerek nélkül nem jöhetnének létre. Jobb üzemanyagcellák a járművekben, hatékonyabb akkumulátorok és sok más újdonság, aminek előnyeiből mindenki részesülhet - ha nem is vesszük majd észre, hogy mindez a fejlődés a kvantumszámítógépek alkalmazásának következménye, a háttérben, láthatatlanul már az új rendszerek dolgoznak majd.

(Fotó: Bosch, IBM, koto-feja/da-kuk/Getty Images)