A kvantumszámítógépek története régre nyúlik vissza, legalább 1981-ig, amikor Richard Feynman amerikai elméleti fizikus egy, az MIT Endicott House-ban megrendezett konferencián előadást tartott a kvantumszimulátorokról, miközben azt a kérdést járta körül, hogy a kvantumfizikai jelenségeket vajon lehetséges-e klasszikus számítógépeken megfelelően tanulmányozni, vagy a kvantumszámítógépek jelentik a megoldást az atomi és szubatomi szintű jelenségek vizsgálatához. A kvantumfizikai kutatások persze már jóval korábban elindultak, de egy olyan számítógép ötlete, aminek működése közelebb áll a természethez, mint a klasszikus gépeké, ekkoriban kezdett formálódni és nemsokára a gyakorlatiasabb felhasználási célok is világossá váltak a kutatók előtt.

Bár a kvantumszámítógépekkel kapcsolatos kutatás-fejlesztés az elmúlt évtizedekben nagy lendülettel zajlott, de a mai kvantumprocesszorok még nem hibamentesek, vagyis a NISQ (zajos, köztes-méretű kvantum) korának eszközei közé tartoznak. A környezeti zajok hatással vannak a kvantumbitekre és emiatt a dekoherencia jelenleg problémákat okoz a számítások során, de a hibajavítási algoritmusoknak és más fejlesztéseknek köszönhetően a következő generációs gépek már beválthatják a kvantumszámítógépekhez fűzött nagy reményeket.

A Microsoft erre a jövőre készülve megalkotta azt a teljesítménymérő rendszerét, amely a leendő kvantumos szuperszámítógépek hatásfokát méri, hogy kiderüljön, mire képesek ezek a speciális berendezések. A mértékegység a flops-hoz (floating point operations per second) hasonlóan működik, ami a hagyományos számítógépek teljesítményét jelzi és azt mutatja, hogy másodpercenként hány lebegőpontos műveletet lehetséges elvégezni az eszközzel.

A kvantumszámítógépek esetében ezt az rQOPS (reliable quantum operations per second) váltja, ami nem csak az elvégzett műveleteket, hanem a megbízható módon elvégzett műveleteket jelöli.

Ez a kitétel fontos szempontot jelent, mivel a kvantumszámítógépek számításainak alapvető egységei, a qubitok érzékenysége miatt a számítás teljes időtartama alatti stabilitásuk a kulcs a korrekt feladatvégzéshez, ezért a mérési rendszer "azokat a műveleteket számlálja, amelyek megbízhatóak maradnak a hasznos kvantumalgoritmusok futtatásának ideje alatt, így van rá biztosíték, hogy megfelelően fognak működni" - írja a Microsoft.

Ez a típusú teljesítménymérés a teljes rendszer hatékonyságáról ad számot és elsősorban három fő faktort vesz figyelembe: a megbízhatóság mellett a sebességet és a skálázhatóságot. A cég becslése szerint ahhoz, hogy egy kvantumszámítógép hatásosan tudjon megoldani tudományos problémákat, például segítsen az anyagtudományi kutatásokban, legalább egymillió rQOPS teljesítményre lesz szükség, de ez csak a kezdetet jelenti. Egy másik lényeges faktor a hatékonyság fokozásának tekintetében a hibák számának csökkentése, emiatt az egymillió rQOPS csak akkor képvisel működőképes szintet, ha alacsony hibahatárral párosul, ami maximum egy hibát jelent minden billiomodik számítás során. A későbbi kvantum-szuperszámítógépek ennél jóval nagyobb teljesítményűek lesznek:

egymilliárd rQOPS és trillió művelet során maximum egy hiba jellemzi majd őket.

A mértéket tulajdonképpen a logikai qubitok száma és a hardver minősége, az órajel határozza meg, a teljesítmény fokozását pedig többek között a (megbízható) kvantumbitek számának növelésével lehet elérni. Ehhez a fizikai qubitokat logikai qubitokká kell "alakítani".

A logikai qubitok több fizikai kvantumbitből állnak, amelyek együtt dolgoznak egy számítás során és elég ideig megtartják a koherenciájukat ahhoz, hogy kvantum logikai kapukkal végzett műveleteket lehessen kivitelezni velük. A Quantinuum cég 2022 augusztusában jelentette be, hogy áttörést értek el a kvantum hibajavítás területén és először sikerült demonstrálniuk, hogy logikai qubitok túlszárnyalták a fizikai qubitokat. A Microsoft szerint a kvantum-szuperszámítógép megbízható logikai kvantumbitekkel működik majd és minél stabilabbak az alapjukat képező fizikai qubitok, annál kevesebbre lesz szükség belőlük. A cég kutatói emiatt újfajta kvantumbitekkel kísérleteznek, amelyeknek készítése során olyan topológiai réseket hoznak létre, amikben MZM-ek (Majorana Zero Mode, lokalizált zéró-energia állapotok) alakulnak ki a topológiai szupravezetők két végén.

A Microsoft a jövőbeli fejlesztésekkel kapcsolatban már kijelölte a leendő kvantum-szuperszámítógép megalkotásának hozzávetőleges időpontját, de ez csak a hatodik lépés lesz az ütemtervben. A jelenlegi fejlesztések fontos eredményt jelentenek a cég szerint, a teljesen új korszakot megnyitó, hatékony kvantumszámítógépek építésének versenye pedig más szereplők munkájának köszönhetően is egyre éleződik:

• az IBM 2026 után tervezi integrálni a hibajavítási metódusait a Qiskit Runtime kvantumszámítási szolgáltatásába és már idén bemutatja az 1121 qubitos Condor processzorát
• a Google erre az évtizedre ígéri a hasznos és hibajavítással ellátott kvantumszámítógépek megjelenését
• az Intel pedig a 'kvantumugrást' 2027 környékére teszi, amikor néhány ezer fizikai qubitból már megfelelő logikai kvantumbitet tudnak alkotni

(Fotó: Microsoft)