2025-öt az ENSZ a kvantumtechnológia évévé nyilvánította, ezzel is jelezve a technológia fontosságát. A kvantummegoldások lassan átkerülnek a kutatólaboratóriumokból az üzleti felhasználókhoz, és nem lehetetlen, hogy 2025 az áttörés éve lesz a technológiában. Az áttörésekhez magyar kutatók is hozzájárulhatnak.
A közbeszédben és a szakmai sajtóban többnyire csak kvantumszámítógépeket emlegetnek, de a kvantum-informatika ennél több területből tevődik össze. Ráadásul némelyik, mint a kvantumkommunikáció, már érettebb állapotban is van, mint a kvantumszámítógépek – bocsátja előre Kiss Tamás, a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatási csoportvezetője.
Kvantumkulcs a titkosításért
Kiss Tamás csoportja a kvantumkommunikáción belül is az egyik legérettebb területtel, a kvantumalapú kulcsmegosztás gyakorlati megvalósításával foglalkozik, konzorciumban a KIFÜ-vel, az ELTE-vel és a BME-vel. A megoldás a szimmetrikus kulcsú titkosítás régóta ismert elvének új köntösben történő megvalósítása: ugyanazzal a kulccsal rendelkezik mind a két fél, és ennek birtokában tudnak titkosított kommunikációt folytatni.
Az újdonság abban áll, hogy a kulcsot a kvantummechanika elvei alapján hozzák létre, és ezek a fizikai törvények garantálják azt is, hogy a kulcsot külső fél nem ismerheti meg, illetve annak egy darabkáját sem lehet ellopni. „A legerősebb, ma még csak laboratóriumban létező technológia révén a titkosító kulcs minden egyes bitjével egyenként titkosíthatom az üzenet bitjeit, ami, hibátlan rendszert feltételezve, elvileg is feltörhetetlen titkosítást jelent”, mondja a kutató.
Ettől persze még messze vagyunk, de a kvantumkulcsok megosztására már a kereskedelmi forgalomban is kaphatók termékek, amelyek a jelenlegi technológiáknál szintén sokkal biztonságosabb kulcsmegosztást tesznek lehetővé. Ezek speciális, de hagyományos informatikai elven működő eszközök, amelyeket optikai szállal kötnek össze; az optikai szálon közlekednek a kvantumos információt hordozó fotonok. A kulcsmegosztás után a különböző szintű titkosítás már hagyományos szoftveres módszerekkel történhet.
Az optikai szál miatt a csillapítás és a veszteség komoly probléma, így az átvitel nagyjából 100 kilométeres távolságra működik, és nem is várható, hogy 200 kilométernél nagyobb távolságot át tudjanak vele hidalni. Itt jön képbe a műholdas kommunikáció, amellyel nagyobb távolságok is áthidalhatók. Kiss Tamás csoportja mind a két módszert kutatja, és ezen a téren nagy lépés lesz az európai Eagle-1 műhold pályára állítása, amely kvantumkommunikációs lehetőségeket biztosít majd a tagállamoknak.
Hibajavítás nélkül nehéz
A már működő kvantumkommunikációval szemben a kvantumszámítógépeket egyelőre inkább kísérleti eszköznek, mint gyakorlatban is használható informatikai megoldásnak tartja Kiss Tamás. Ami ezen a területen áttörést hozhat, akár már viszonylag rövid távon is, az a működő hibajavítás megteremtése lehet.
A kvantumszámítógépek egyik nagy problémája ugyanis a környezeti és egyéb zajokra való érzékenység, amely a fizikai számítási egységek (a qubitek) számának növelésével együtt nő, és amitől a kvantumszámítógépek hajlamosak lesznek a hibázásra. Vagyis bizonyos méretnél, teljesítménynél nagyobb kvantumszámítógépet nem lehet létrehozni, mert a növekvő zaj miatt gyakorlatilag nem nő a hatékonyság. Ennek kiküszöbölésére alkalmazható a klasszikus számítástechnikából is ismert hibajavítás kvantumszámítógépekre átalakított változata.
Innentől kezdve viszont érdemes megkülönböztetni a hibajavítás nélküli és a hibajavítással működő kvantumszámítógépeket. Az előbbieknél az úgynevezett hibrid algoritmusok hozhatnak eredmény. Ilyenkor a kvantumszámítógépből származó részeredményt klasszikus algoritmus bemeneteként hasznosítják – a teljesítmény ezen a módon is nő. „Ezzel kapcsolatban még viszonylag frissek az eredmények, de nagy a technológia iránti érdeklődés”, mondja Kiss Tamás.
A nagy eredmény azonban a hibajavítás lehet. Ezt úgy érik el, hogy több fizikai qubitet összekapcsolnak egyetlen megbízhatóbb, a hibáknak jobban ellenálló logikai qubitté. Az ördög természetesen itt is a részletekben rejlik, számos akadályt kell legyőzni ahhoz, hogy mindez a gyakorlatban is alkalmazható legyen. Kiss Tamás elmondása szerint ehhez még évek kellenek, ugyanakkor a Microsoft és az Atom Computing novemberben bejelentette, hogy 2025-ben olyan számítógépet hoz forgalomba, amelyben közel ezer fizikai qubitet csoportosítanak 24 logikai qubitbe.
Versengő technológiák
A kvantumszámítógépeket ráadásul nem csak az alapján lehet osztályozni, hogy hibajavítással vagy anélkül működnek. A kvantummechanikai háttér egyezősége mellett a fizikai megvalósítás nagyon is eltérhet. Rögtön van két nagy csoport: a kapu-alapú és az adiabatikus kvantumszámítógépeké – ezek fizikai háttérébe ennek a cikknek a keretei között nem érdemes belemenni.
Manapság a kapu-alapú megoldás a gyakoribb, amelyből szintén többféle lehet. Az egyik a szupravezető kvantumszámítógép (ilyeneket fejleszt egyebek mellett az IBM és a Google is); ezek hátránya, hogy az egész szerkezetet az abszolút 0 fok közelébe kell hűteni, ami gyakorlati nehézségeket is jelent, és az energiafogyasztása is óriási.
A jövő megérkezett?
A Microsoft Ignite 2024 konferencián jelentette be a Microsoft és az Atom Computer, hogy 2025-ben gyakorlati célokra is használható kvantumszámítógépet hoznak forgalomba. Az új gépek egyik fontos jellemzője a hibajavítás képessége. Észleli, ha a fizikai qubitet alkotó atomok egyikének állapota megváltozik, és azonnal javítani tudja azt. A két cég egy kísérletben 80 fizikai qubitból hozott létre 20 logikai qubitet, és azon sikeresen futtatták a Bernstein-Vazirani algoritmust, amely bizonyítja a kvantummechanika egy fontos alapelvének, a szuperpozíciónak az erejét. (A szuperpozíció révén lehet egy qubit 0 és 1 értékű egyszerre, ami a nagy teljesítmény alapját adja.)
Egy másik rendszeren már 24 logikai qubit kvantummechanikai összefonódását mutatták be. A két vállalat szerint ennyi logikai qubit között még sehol senki nem valósította meg az összefonódást. (Az összefonódás a kvantummechanika másik fontos alapelve: két, egy párt alkotó atom bármelyike azonnal átveszi a másik állapotát, még ha közben több ezer kilométerre is kerültek egymástól.)
A jövőre kereskedelmi forgalomba kerülő gép akár 1000 fizikai qubitből is állhat, amelyből többféle mennyiségű logikai qubitet lehet előállítani.
Egy másik megoldás a fotonikus számítógép. Ezt nem kell hűteni, és már demonstrálta is, hogy képes olyan feladatot gyorsan megoldani, amelyet hagyományos számítógépekkel csak nagyon hosszú idő alatt lehetne.
A harmadik fő csapásirány az úgynevezett csapdázott (trapped) részecskéket használja: ezek lehetnek töltés nélküli atomok vagy töltött ionok is. Itt a részecskék körül kell erős vákuumot fenntartani, az atomokat pedig lézerrel a helyükön tartani.
„Mindegyik területen minden kontinensen komoly fejlesztések zajlanak, mind piaci, mind tudományos, mind állami szereplők részvételével – mondja Kiss Tamás. – A szupravezető alapú kvantumszámítógépek európai fejlesztési projektjeiben magyar kutatók is részt vesznek a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpontból és a BME-ről. A francia állam ugyanakkor a Pasqal nevű céggel kötött 15 éves szerződést csapdázott semleges atomos számítógép fejlesztésére. A verseny egyelőre nem dőlt el, nem lehet tudni, hogy melyik megoldás lesz teljesítmény és üzleti hasznosítás szempontjából előnyösebb. Az is könnyen lehet, hogy hosszabb távon is több megoldás versenyez majd egymással.”
Korlátlan lehetőségek
No de mire lehet használni majd a kvantumszámítógépeket, ha megjelennek? Az egyik legközvetlenebb – ha üzletileg nem is a legfontosabb – felhasználási terület a jelenlegi titkosítási algoritmusok feltörése. Ezek többnyire nagy prímszámok szorzatát használják kulcsgenerálásra – a kvantumszámítógépek viszont villámgyorsan vissza tudják fejteni a szorzatot, és ezzel feltörni a kulcsot. 2024-ben már meg is jelentek a kvantumrezisztens titkosítási eljárások, és egyre több állami és piaci szereplő tér át ezek hasznosítására.
És a szoftver?
A kvantumszámítógépekről beszélve nem szabad elfeledkezni az azokon működő szoftverekről sem. Kiss Tamás szerint ezeket is teljesen új alapokon kell fejleszteni, és sok tekintetben még az elmélet lefektetése zajlik. A kulcs az új algoritmusok megtalálása és kifejlesztése, de utána azt is meg kell oldani, hogy az algoritmusokat milyen kvantumkapukkal lehet működésre bírni. „Nagy jelentősége van annak, ha valaki kitalál egy új algoritmust, vagy legalább egy módszert, amellyel közelebb lehet kerülni egy új algoritmushoz. Ezek alapvetően matematikai jellegű kutatások, amelyekben Magyarország hagyományosan erős. Kvantumalgoritmusokkal összefüggő kutatások jelenleg is folynak a HUN-REN Rényi Matematikai Kutatóintézetben, a BME-n és az ELTE Informatikai Karán is”, mondta Kiss Tamás.
Egy másik nagy felhasználási terület az optimalizáció, legyen szó logisztikai vagy más folyamatok hatékonyabbá tételéről. A kvantumszámítógépek ugyanis nem egymás után, hanem egyszerre képesek megvizsgálni az összes szóba jöhető lehetőséget, így villámgyorsan megadják a választ a feltett problémára.
Kiss Tamás a következő fontos alkalmazásként a más kvantumrendszerek szimulálását említi. Bizonyos tudományos feladatokhoz – például molekulák létrejöttének vizsgálatához, kémiai reakciók megértéséhez, fizikai anyagok tulajdonságainak megértéséhez – szükség lehet a kvantummechanika elveinek megértésére. Kvantumszámítógépekkel lehet ezeket a folyamatokat modellezni, és bár elsőre ez tudományos célú felhasználásnak tűnik, nagyon gyorsan gyakorlati eredményekhez vezethet.
Így például a kémiai reakciók modellezése óriási segítséget jelenthet a gyógyszerkutatásban és az új hatóanyagok kifejlesztésében. Az anyagtudományban az új akkumulátorok és energiatároló rendszerek kutatásában jelenthet nagy segítséget, ha megértjük, hogyan viselkednek az elektronok egy új anyagban.
A sor még hosszan folytatható, különösen, ha a feldolgozható probléma méretét is növelni tudjuk. Az optimalizáció nemcsak egyes raktárak, hanem teljes ellátási láncok működését teheti hatékonyabbá; modellezhetővé válnak összetett pénzügyi rendszerek; vagy éppen növelhető lesz a gépi tanulásos alkalmazások teljesítménye.
