"A kvantumszámítógépek nem állnak a klasszikus számítógépek fölött, mivel a laboratóriumi kísérletek úgy vannak megtervezve, hogy lényegében (és majdnem biztosan kizárólagosan) egy nagyon specifikus kvantum-mintavételezési folyamatot hajtanak végre praktikus alkalmazás nélkül." - árulta el Gargi Dasgupta, az IBM indiai részlegének kutatási igazgatója a The Hindunak 2021-ben.

Ahhoz, hogy a kvantumszámítógépek szélesebb körben is használhatóak legyen a legfontosabb, hogy megszülessenek azok a programozható kvantumrendszerek, amelyek számos algoritmust és programot egyesítenek és alkalmaznak - tette hozzá Dasgupta, aki szerint a kvantumelsőbbséget a cég számára a 2023-ban megjelenő 1121 qubitos Condor chip hozza el, amely a kisebb kvantumbitekkel és a lapkába integrált szigetelőkkel és jelerősítőkkel redukálja a qubitok zaját. Azonban még a jól működő kvantumszámítógépek eljövetele sem teszi a klasszikus komputereket a múlt emlékeivé, mivel, míg az új típusú gépek bizonyos speciális problémákat minden eddiginél gyorsabban és hatékonyabban oldanak meg, addig a hagyományos számítási módszerek is szükségesek lesznek más területeken, a két számítógépes architektúra inkább egymást kiegészítve, mint egymással versenyezve fog a világban helyet kapni.

A qubitok megbízható működésére nézve végzetes interferencia, ami a kvantumrendszerek zaját okozza, és ami miatt a kvantumbitektől kapott információ téves lehet, a hiba nélkül működő kvantumszámítógépek felé vezető út egyik nagy akadálya. A használható gépek fejlesztéséhez kvantum-hibajavítási protokollokra van szükség, amit szintén fejlesztenek a kutatók és a cégek, ezek általában több fizikai qubit összefonódására alapoznak, amelyből egy, a hibákra nem annyira fogékony logikai qubitot hoznak létre. Az ETH Zürich szakértői például a felszíni kód módszerével egy 17 szupravezető qubitot tartalmazó, abszolút nulla fok közelébe hűtött chipen demonstrálták sikeresen a gyors és folytonos korrekció életképességét.

Egy másik cég, a Quantinuum módszere a valós idejű korrekcióra épít: az úgynevezett szolgáló qubitok méréséből, amelyeket az adatokat tartalmazó kvantumbitekkel hoznak az összefonódás állapotába, kiolvasható a többi qubit állapotának információja is. Az egyelőre még kísérleti fázisában lévő megoldások az ígért többezer, vagy akár egymillió qubitos kvantumszámítógépek esetén is működőképesek kell, hogy legyenek, másképp az algoritmusok nem közvetítik hitelesen az információkat.

Az egyre több és több qubitot tartalmazó processzorok már most is egyre több lehetőséget nyitnak meg az olyan számítások elvégzésének irányába, amelyeket a klasszikus számítógépek sokkal lassabban abszolválnak. Az IBM tavaly novemberben mutatta be a 127 kvantumbites Eagle chipjét, amelyet első körben a cég Quantum Network hálózatának tagjai tesztelhettek a felhőszolgáltatásokon keresztül, idén pedig jöhet a 433 qubitos Osprey, majd 2023-ban az 1121 qubitos Condor. A Google 2019-ben jelentette meg 54 kvantumbites Sycamore processzorát, amellyel, a Nature-ben publikált beszámolójuk szerint, elérték a kvantumfölényt, vagyis nagyságrendekkel gyorsabban (200 másodperc alatt) oldottak meg egy számítási feladatot a segítségével, mint amennyi ideig ez a becslések szerint, egy klasszikus számítógépnek tartott volna (10 000 év).

Az Európába is elérkezett és tavaly júniusban hivatalosan is bemutatott Q System One kvantumszámítógép ezeknél valamivel kevesebb kvantumbittel, egy 27 qubitos Quantum Falcon processzorral működik, de a rajta végezhető számítások széles körben elérhetőek az intézmények és vállalatok számára az IBM felhőszolgáltatásain, a Quantum EXperience és Quiskit platformokon keresztül. A Q System One, mint ahogy többi kvantumszámítógép társa a világban betekintést nyújthat abba, hogy milyen gyakorlati alkalmazásokra lesznek leginkább használhatóak a futurisztikus eszközök, illetve, hogy még ezekkel a kevesebb qubitot tartalmazó, potenciálisan zajosabb rendszerekkel is milyen előnyök érthetőek el a hagyományos számítógépes megoldásokhoz képest.

A Q System One leleplezésén bemutatták azokat a vállalatokat, amelyek már jelenleg is alkalmazzák bizonyos feladatokra a gépet: a Bosch anyagkutatásokat végez a segítségével, mivel, elmondásuk szerint a kvantummechanika lehetőséget ad rá, hogy atomi szinten lehessen tanulmányozni a szerkezetet és új, sosem látott anyagokat lehessen kialakítani, a BMW az önvezető autók fejlesztésében és az optimalizációban veszi hasznát a gépnek, a Német Rákkutató Központ (DKFZ) pedig a rákos betegek vizsgálataiból származó hatalmas mennyiségű adat (személyenként akár 100 terabájt) elemzésére kívánja használni a rendszert, hogy a pácienseknek a legjobb személyre szabott kezelési módszert ajánlhassák. Ehhez viszont előbb azt kell feltérképezni, hogy mely algortimusok a legalkalmasabbak a probléma megoldására.

A szakértők szerint a kvantumszámítógépek elsősorban az ilyen típusú optimalizációs feladatok elvégzésére lesznek leginkább használhatóak, amikor a lehetséges kombinációk és kimenetelek hatalmas választékából kell a megfelelőt kiszűrni. Ezek megvalósítására a kvantumszámítógépek egy másik típusa az úgynevezett kvantum annealer is ideális alapot jelent, amelyek egyik 5000 qubitos példányát már Európában is szolgálatba állították. A D-Wave Jülich-ben, a JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing) épületében elhelyezett Advantage gépe nem önmagában oldja majd meg a feladatait, hanem egy szuperszámítógépes rendszer részét képezi és kereskedelmi partnerek, egyetemek és egyéb szervezetek rendelkezésére bocsátják.

Ez a típusú gép annyiban tér el a kvantum logikai kapukkal működő, kevesebb qubittal dolgozó, de átfogóbb munkákra képes kvantumszámítógépektől, hogy elsősorban az optimalizációra van kialakítva: a rendszer kvantumbitjeit a lehető legalacsonyabb energiaállapotba, az energiaminimum állapotába helyezik egy, a megoldandó problémát szimuláló környezetben.

"A qubit a szuperpozíció állapotából a nulla vagy egyes állapotába kerül, amelyek a klasszikus állapotok és a folyamat fizikája megjeleníthető egy energiadiagrammon."

- magyarázza a D-Wave munkatársa, Dominic Walliman.

A kezdeti állapot (szuperpozíció) a legalsó szintnek felel meg, mikor a kvantumbit ebből kikerült, több "völgy" is kialakul és a qubit ezek egyikében helyezkedik el attól függően, hogy a nulla vagy az egyes pozíciót vette fel. A külső mágneses mező alkalmazásával azonban befolyásolható a folyamat, ennek hatására a qubit az energiaminimum állapotát veszi fel. A kvantumbitek párosításával lehet elérni, hogy az összekötött qubitok vagy ugyanabba az állapotba kényszerüljenek vagy ezzel ellentétesen, két különböző pozíciót vegyenek fel attól függően, hogy az energia optimalizálás szempontjából melyik számukra az ideálisabb. A rendszer felhasználói kiválaszthatják ezeknek a qubitok közti kapcsolóknak az értékeit, az irányát és erősségét, vagyis befolyásolhatják a folyamatot, így programozhatják az annealert, amelynek a végén az adott környezet energiaminimuma lesz a végeredmény. Tehát a D-Wave megoldása a rendszer irányításán alapszik, a kvantum logikai kapukat alkalmazó számítógépekkel ellentétben.

Az első Advantage gép 2020-as megjelenésekor a D-Wave azt is bemutatta, hogy a cégek hogyan használják a rendszert: a Save-On-Foods élelmiszerbolt-lánc az üzleti működésének optimalizálására, az Accenture üzleti alkalmazások fejlesztésére, a Volkswagen hatékonyabb autófestési rendszer kidolgozására alkalmazta. Az optimalizáció azonban ezeken kívül számos más területen is alapvető fontosságú módszert jelent, a McKinsey jelentése szerint például a várható négy leghasznosabb kvantumszámítógépes felhasználási területből, a kvantum szimulációból, a mesterséges intelligencia fejlesztésére szánt kvantumprogramokból, a kvantum faktorizációból és a kvantum optimalizációból az utóbbi a pénzügyek területén nyújthat hatalmas segítséget kockázatfelmérés és a portfólió készítés során.

A pénzintézetek számításaihoz (valamint statisztikai számításokhoz vagy mikroelektronikához) a legalkalmasabb megoldást a Monte Carlo-módszer jelenti, ami egy random mintavételezési eljárás a determinisztikus elemzési technikákhoz túl komplex rendszerek esetén. Ahogy azt Ashley Montanaro, a Bristol Egyetem matamatikaprofesszora is bizonyította 2015-ös tanulmányában, a Monte Carlo-módszer kvantumszámítógépen futtatott verziója jelentősen csökkenti a szükséges algoritmusok számát és így a számítás idejét, miközben a megbízhatósága majdnem száz százalékos marad. A BCG elemzése szerint a kvantumalgoritmusok az elkövetkező évtizedben akár 2-5 milliárd dollárnyi bevételt jelenthetnek a pénzügyi intézmények számára, mivel ezzel a bizonytalansági faktorokat kiiktathatják a döntéseikből. Az optimalizáció mellett a kombinatorika is fontos szerepet tölthet be a leendő alkalmazások között, amivel többek között a hitelek kezelésének problémáját, pontosabban az ügyfelek hitelképességének felmérését lehet jobban végezni.

Emellett két fontos terület, amelyeken a kvantumszámítógépek kereskedelmi használata kifizetődővé válhat, az anyag-, és gyógyszerkutatás, ezeknek a működését pedig már most is kutatják számos intézményben. A Q System One gépét a Bosch használja anyagkutatásra, a Daimler pedig 2015-ben egy Kvantumszámítási Kezdeményezés programot is elindított, amelybe a Google és IBM kutatóit is bevonták, hogy a későbbiekben újfajta akkumulátorokat vagy áramvonalasabb formákat tervezhessenek a szoftverek és algoritmusok segítségével. A két vállalat gépeit a felhőszolgáltatásokon keresztül használva a Daimler azt próbálja meg kideríteni, hogy hogyan alkalmazható a kvantumrendszer olyan kérdések megválaszolására, mint például, hogyan lehet a lítium akkumulátor összetevőinek alapvető viselkedését precízen szimulálni, ezzel pedig lecsökketeni a konkrét kémiai vizsgálatok elvégzésére szánt időt.

Két nap alatt 77 lehetséges ellenanyagot talált a koronavírusra a világ leggyorsabb szuperszámítógépe Hagyományos módszerekkel ez évekbe telt volna a kutatóknak, a számítógép valamivel gyorsabban megoldotta. Ez még korántsem jelenti azt, hogy megvan az ellenszer a világon végigsöprő járványra, de az IBM reményei szerint felgyorsíthatja a kutatásokat.

Hasonló eredmények elérése törekszenek a gyógyszereket fejlesztő cégek is, a kvantumszámítógépek számukra legnagyobb előnyét az atomok és molekulák szintjén megvalósuló transzformációk elemzése jelenti, amivel korábban nem látott hatóanyagok kifejlesztése válik elérhetővé. A molekulák milliárdjainak átfésülésével időt lehet spórolni a gyógyszerek tervezése és a lehetséges mellékhatások felmérése során is, így az egyéb esetekben nagyon hosszú tesztelési időszak is töredékére csökken. A McKinsey statisztikája szerint a gyógyszerkutatás olyan jelentős részét képezi a gyógyszeripari vállalatok működésének, hogy átlagban a bevételeik 15%-át a kutatás-fejlesztés emészti fel. A CADD (computer-assisted drug discovery), a számítógépeken elvégzett számítások egy-egy új gyógyszer felfedezése során, már régóta a cégek stratégiájának részét képezi, ahogy arról mi is beszámoltunk, az IBM Summit szuperszámítógépével például sikerült néhány nap leforgása alatt 77 féle új koronavírus ellenanyagot találni 2020 elején.

A Biogen biotechnológiai cég és az 1QBit. kvantumszoftver vállalat, valamint az Accenture Labs együttműködését azért indították útnak, hogy az eddigieknél jóval nagyobb molekulák felfedezésére is lehetőség nyíljon, mivel ezt az aspektusát a kutatásoknak eddig behatárolta a klasszikus számítógépek teljesítménye.

"Az Accenture és a Biogen áttörést ért el, ami igazolta, hogy a kvantum metódus a molekulák összehasonlítása terén legalább annyira jó vagy még jobb a létező módszereknél."

- írták az Accenture közleményében.

A Roche gyógyszeripari vállalat a Cambridge Quantum Computinggal szerződött le a kísérletei elvégzéséhez.

"A molekula, ami csak annyira komplex, mint a koffein, a felső határt jelenti a nagyteljesítményű számítógépek számára."

- nyilatkozta az IEEE Spectrumnak Chad Edwards, a CQC stratégiai és termék igazgatója. - "A koffein csak 24 atomból áll. A gyógyszeriparban sokkal nagyobb molekulákkal van dolgunk: többezer atomból álló fehérjékből. Amikor meg akarjuk érteni, hogyan működik egy kvantummechanikai rendszerszerű kémia, szeretnénk gépeket használni, hogy kvantummechanikusan gondolkodjanak és dolgozzanak."

A legfőbb kérdések, amire a számítógépekkel keresik a választ: melyik molekula kötődik a legjobban a kiválasztott fehérjéhez, hogyan reagálnak a fényre, milyen reakciókkal szintetizálnak hatóanyagokat és a testünk hogyan emészti meg a gyógyszert. Edwards szerint az ilyen típusú kutatások eredményei hasznosak lehetnek a jövőben, olyannyira, hogy a kvantumprogramokba hosszú távon is befektetnek a cégek. Ennek érdekében a nagyobb gyógyszeripari szereplők megalapították a QuPharm-ot, ami a QED-C-vel (Quantum Economic Development Consortium) működik együtt a kereskedelmi alkalmazások kutatásának terén. 2020 elején hozták létre a párizsi székhelyű Qubit Pharmaceuticalst is, amely a Sorbonne, a Washingtoni, a Texasi és az Austini Egyetemek kutatóiból áll és szintén a kvantumkémiai vizsgálatokat helyezi előtérbe.

A felsorolt alkalmazások jelentős, de csak kis részét jelentik azoknak a lehetséges területeknek, amit a jól működő kvantumszámítógépes rendszerek átformálhatnának, ezek mellett a klímaváltozási modellek megalkotásától a logisztikán át az ellátási láncok hibáinak javításáig és a mesterséges intelligencia fejlesztésekig, valamint a kiberbiztonsági alkalmazásokig számos más felhasználási lehetőség kerülhet még szóba. A legtöbb cég elég közeli időpontokkal számol, mikor a valóban nagyteljesítményű kvantumszámítógépek megjelenését vagy a hibajavítási módszerek megbízható működését tervezi, a Google például 2030 előtt meg szeretné építeni a kereskedelmi kvantumszámítógépét, az IBM 2030-ra már egymillió qubitos gépet ígért 2020-ban.

A D-Wave a meglévő annealer mellé logikai kapus kvantumszámítógépet tervez, a Honeywell pedig 2030-ra el szeretne jutni a H5 modelljéig, ami jóval túlszárnyalja majd a jelenleg felhőszolgáltatásokon keresztül kereskedelmi forgalomban lévő 10 qubitos H1-es modell két típusát a H1-1-et és a H1-2-t.

(Fotó: Honeywell, IBM, Qubit Pharmaceuticals)

"Kvantumapokalipszis" miatt kongatják a szakértők a vészharangot A kvantumszámítógépek érkezésével hamarosan szinte az összes ma használt titkosítási rendszer pillanatok alatt feltörhető lesz, ami a bankszámlánktól a kritikus infrastruktúrákig mindenre hatalmas veszélyt jelent.