Miért nem fogjuk soha zsebre vágni a kvantumszámítógépet, és miért nem a világ vége a kvantumapokalipszis? A kvantuminformatika jelenéről és jövőjéről és Európa lemaradásáról dr. Széchenyi Gábor fizikussal, az ELTE Anyagfizikai Tanszék adjunktusával, a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium szakmai titkárával beszélgettünk.
A számítástechnika jövőjének tekintett kvantumszámítógépekről a szakembertől egyebek között azt is megtudtuk, hogy
miért jobbak, mint a klasszikus számítógépek;
hordjuk-e majd a zsebünkben, mint egy okostelefont;
kik a vezetők ezen a területen, és mik az európai tervek;
és hogy mik voltak 2023 legfontosabb kvantum-számítástechnikai fejleményei.
Egy kutató, aki ezzel foglalkozik, nemrég azt mondta, nem biztos, hogy valaha is többre alkalmas lesz egy kvantumszámítógép, mint kódtörésre. Tényleg ennyire szűk felhasználási területű eszköz lesz, nem olyan, mint ami számunkra ismert számítógép?
Ha arra a kérdésre keressük a választ, hogy mit nyújthat nekünk a kvantumszámítógép a jövőben, két irányvonalat érdemes megemlíteni. Az egyik az úgynevezett kvantumalgoritmusok. Ismerünk olyan problémákat, amiket kvantumbiteken sokkal gyorsabban meg lehet oldani, mint egy klasszikus számítógépen. Az egyik ilyen a prímfelbontás, például az, hogy a tizenöt felbontható háromszor ötre. Ez olyan probléma, ami nagy számok esetében klasszikusan nehezen oldható meg, viszont kvantumosan gyorsabban megy, az úgynevezett Shor-algoritmussal. A széles körben használt RSA-titkosítás a prímfelbontáson alapul, így az ilyen titkosítások kvantumszámítógéppel feltörhetővé válnak. De ezen kívül más gyakorlati szempontból fontos problémákra is találhatóak hatékony kvantumalgoritmusok.
A másik irány a kvantumrendszerek szimulációja. Kvantumrendszereket nagyon nehéz klasszikus számítógépen szimulálni, egy kvantumszámítógép sokkal természetesebb platform ilyen célra. Jelenleg az alapkutatásnál tartunk, de ahogy haladunk, eljuthatunk oda, hogy már bonyolult molekulákat és azok reakcióit is tudjuk szimulálni. Ennek már egyértelműen társadalmi haszna lesz, hiszen lehetségessé válik például potenciális gyógyszerhatóanyagokat szimulálni, amiket nem kell laborokban legyártani.
Ez a két fő irány, de nem érdemes azt várni, hogy a kvantumszámítógép teljes mértékben kiváltja a klasszikus számítógépet. A kvantumállapotok, amiket használunk, nagyon érzékenyek, ezért szeretnénk őket megvédeni a környezeti hatásoktól. Ez azt jelenti, hogy például le kell a rendszert hűteni, hogy a kvantumállapotokat a hőmozgás se zavarja. A mai eszközökben néhány tíz millikelvines hőmérsékleteket használnak. Egy ilyen hűtőgép nagy és sokba kerül, senki sem akar ilyet otthonra. Ugyanezért nem fogjuk zsebre vágni a kvantumszámítógépet úgy, mint egy mobiltelefont. Inkább úgy képzeljük el, hogy a távolban lesznek ilyen kvantumszámítógépek, és feladatokat lehet majd oda beküldeni és lefuttatni, mint egy felhőalapú szolgáltatásban.
A kvantumrendszerek szimulációja terén még mire lehet képes egy ilyen gép? Tud akár egy idegsejtet vagy egy egész agyat modellezni?
Ezek még nagyon távoli dolgok. A jelenlegi kvantumszámítógépek néhány tíz, néhány száz kvantumbitet tartalmaznak. Ezek még nem alkalmasak arra, hogy felvegyék a versenyt egy klasszikus szuperszámítógéppel. Kemény munka folyik, hogy nagyobb kvantumrendszereket tudjunk szimulálni. Ehhez egyrészről szükséges, hogy a kvantumbitek számát növeljék, azaz egyre több kvantumbitet rakjanak rá egy chipre. A másik irány, amit kevésbé szoktak kiemelni, hogy ezeket a kvantumbiteket egyre jobbá kell tenni. Egyre védettebbé kell tenni őket, mert számos környezeti hatás tönkreteheti ezeket a kvantumállapotokat. Itt gondolhatunk a hőmérsékletre, az alkalmazott elektromos, mágneses terek zavaraira, de olyan extrém dolgokra is gondolhatunk, mint például a kozmikus háttérsugárzás, amikor is becsapódik egy részecske a chipbe.
Ezen környezeti hatások miatt a kvantumállapotok elromlanak, a szuperpozíció és az összefonódás megszűnik egy idő után. Ennek kivédésére több lehetőség van, az egyik, hogy megpróbálnak olyan chipet fabrikálni, hogy a kvantumbitek élettartama minél hosszabb legyen. Ha emellett a kvantumszámítógépben a műveletvégzés gyors, akkor viszonylag sok műveletet el lehet addig végezni, amíg el nem romlik a kvantumállapot.
Az látható, hogy a kvantumbitek élettartama minden határon túl nem növelhető. Van egy másik irány, amiben sokan hisznek, ez a hibajavító, hibatűrő kvantumszámítógép. Ilyenkor egy kvantumbitnyi információt nem egy fizikai kvantumbiten, hanem sok kvantumbiten tárolnak el. Ez lehetőséget ad arra, hogy a keletkező hibákat kijavítsák.
Miért gyorsabb egy klasszikusnál egy kvantumos számítógép?
Mire is van szükség amikor valaki egy kvantumszámítógépet akar csinálni? Először is kellenek neki kvantumbitek, amik a klasszikus számítógépen használt bitek kvantumos kiterjesztései. Igazából azt szoktam mondani, hogy a klasszikus számítógép lelkét kell kicserélni.
A klasszikus számítógép hiába ment át hatalmas fejlődésen az 1940-es évek ENIAC-jától a mostani szuperszámítógépekig és laptopokig. A számolások mindvégig klasszikus biteken, azaz nullákon és egyeken történtek. Ezeket a klasszikus biteket szeretnénk ún. kvantumos bitekre kicserélni, ami a nulla és az egy tetszőleges szuperpozíciójában lehet. Ez azt jelenti, hogy a kvantumbit valamilyen súllyal nullát és egyet is tartalmazhat.
A szuperpozíció egy nagyon hasznos dolog, ez a kvantumszámítógép lelke, ez teszi lehetővé, hogy bizonyos problémák megoldására a kvantumszámítógép gyorsabb legyen. Miért is? Nézzünk egy példát! Ha van egy klasszikus algoritmus, és az ember minden lehetséges két bites bemeneten le akar futtatni egy számítást, akkor be kell adnia mind a négy bemenetet. A nulla-egyet, az egy-nullát, az egy-egyet meg a nulla-nullát. Vagyis négyszer le kell futtatnia a programot. Egy kvantumszámítógépnél a szuperpozíció lehetőséget ad arra, hogy a négy állapotot egyszerre beküldjük. Ez elsőre meglepőnek tűnik, de ilyenkor egyszerre lehet számolni mind a négy bemenettel. Ez egy kézlengetős magyarázat arra, hogy miért lehet egy kvantumalgoritmus gyorsabb vagy jobban skálázható, mint egy klasszikus.
A Moore-törvény nem érvényes kvantumszámítógépekre, de van-e valami hasonló fejlődési görbe?
A Moore-törvény azt mondja, hogy a klasszikus chipeknél 18 hónaponként megduplázódik a tranzisztorok száma egységnyi felületen. Már többször újraértelmezték, hogy érvényben maradjon. Kicsit afféle önbeteljesítő jóslat is lett. De ez nem olyan törvény, mint a fizika törvényei, hanem egy emberi vízió a jövőről. Az, hogy a kvantumbitek számában is egy ugyanilyen exponenciális fejlődést lássunk, nincs kőbe vésve. Az tagadhatatlan, hogy az elmúlt évtizedben nőt a processzorokban a kvantumbitek száma, és egyre jobbak is lettek a kvantumbitek. De ebből nem lehet megjósolni, hogy hogyan fejlődnek tovább a jövőben.
Mekkora előrelépés az IBM új kvantumprocesszora?
Az IBM 2021 novemberében mutatta be az Eagle processzort, ami 127 kvantumbitet tartalmazott. Azután 2022 novemberében jött ki az Osprey, ami a halászsast jelent. Szeretik a madarakról elnevezni ezeket a processzorokat. Idén decemberben jelent meg a Condor-processzor, ami már 1121 kvantumbites. Az ezer feletti kvantumbitszám elég izgalmasnak hangzik, de érdemes a processzor minőségét fenntartással kezelni, hiszen mérési eredmények vagy technikai paraméterek még nem láttak napvilágot a chippel kapcsolatban. Ezt egyelőre nem nevezném a 2023-as év nagy áttörésének, mert lehet, hogy úgy jár mint a korábbi Osprey-chip. Hiába van az Osprey-chipben 433 kvantumbit, a kvantumbitek annyira pontatlanok voltak, hogy a kutatók inkább a kisebb, de pontosabb chipeket használták 2023-ban. Jövőre már tisztábban fogunk látni az új Condor-chippel kapcsolatban.
Volt ennél fontosabb eredmény 2023-ban?
Igen. 2023-ban már 100 körüli kvantumbitet tartalmazó processzorokon futtatnak a fizikusok olyan algoritmusokat, melyeket klasszikus számítógépen már nehezen lehet vizsgálni. Az IBM kutatóinak idei tanulmányában megmutatták, hogy bizonyos problémák esetén a kvantumos szimuláció már hasznos lehet. Egyre közelebb kerülünk a kvantumelőnyhöz, amikor már gyakorlati szempontból fontos problémákat gyorsabban fog megoldani egy kvantumszámítógép, mint egy klasszikus.
A másik fontos eredmény a Google kutatóinak felületikód-kísérlete, mellyel a hibajavító kvantumszámítógép megalkotásához kerültek közelebb.
A híreket olvasva eléggé aggasztó dolgok merülnek fel a kvantum-számítástechnikával kapcsolatban. Daniel Lidar, a Dél-kaliforniai Egyetem fizikusa szerint „kvantumtél” fenyeget, vagyis elmaradhatnak a kutatási területre érkező pénzek. Yann LeCun, a Meta kutatási vezetője és a mesterséges intelligencia egyik atyja lefitymálóan nyilatkozott arról, hogy a kvantumszámítógépek megvalósulnak-e, és lesz-e valaha hasznuk. Az EU-ban ugyanakkor azt mondják, hogy ha a mesterséges intelligenciáról már lemaradtunk, legyünk erősek kvantum-számítástechnikában. Tényleg itt a jégkorszak?
Nyilván a fizikusok, akik ezen a területen dolgoznak, bizakodóak, és mindent megtesznek azért, hogy előremozduljanak a kutatások. Vannak jelentős előrelépések, kísérleti és elméleti oldalról is. Látni kell, hogy ezekhez a kutatásokhoz sok pénz, rengeteg kutató munkája szükséges. Ha kivonulnak a támogatók erről a területről, nyilván nem haladna olyan gyorsan a fejlesztés, nem dolgozna annyi fizikus a területen, sokkal később születnének meg az eredmények.
Mennyire intenzív ez, és merre billen ez az amerikai–kínai verseny, vagy van-e valaki, aki még beleszólhat ebbe?
Ahogy maga a kérdés is tartalmazza, igazából csak az amerikaiakról és kínaiakról érdemes beszélni, ők azok, akik a legelőrébb járnak. Ami szomorú ebben, hogy Európa le van maradva. Az európai kvantum-számítástechnika kísérleti oldalról többéves lemaradásban van. Most kezdik felismerni, hogy ideje lenne felzárkózni, és kutatási programokat indítanak, hogy Európában is legyen egy 100 kvantumbites szupravezető-alapú gép.
Véleményem szerint a két vezető ország közül az Egyesült Államok jár előrébb, de a kínai lemaradás sem többéves, inkább néhány hónapos. Arról, hogy ez hogyan változott az elmúlt évben, nagyon nehéz képet kapni.
A kvantumapokalipszisnek nevezett esemény, amikor a régi titkosításokat feltörhetővé teszi a kvantumszámítógép, az ilyen nagyhatalmaknál már védelmi kérdés, akár casus belli is lehet.
Igen, ha most lenne valakinek egy nagy és pontos kvantumszámítógépe, akkor az összes RSA-eljárással titkosított adatot fel lehetne törni. De van megoldás. Itt az ELTE-n, ha átmész a szomszéd épületbe, az Informatikai Karon már foglalkoznak poszt-kvantumkriptográfiával, ami olyan titkosítási módszereket vizsgál, amiket kvantumszámítógéppel sem lehet feltörni. Véleményem szerint nem lesz kvantumapokalipszis, mert előtte mindenki át fog állni egy másik titkosítási módszerre.
Kiterjedését tekintve azért nagy átállás lesz, nem?
Igen, de ettől még nagyon messze vagyunk. Azt mondják, hogy az RSA-titkosítás feltöréséhez néhány ezer tökéletes qubit kell, de a mostani pontosság mellett szerintem milliós nagyságrendű kvantumbitre lenne szükség. Ha tippelnem kellene, azt mondanám, hogy még legalább tíz év szükséges ehhez, bár ilyen jóslatba fizikusként belemenni meredek dolog.
Akkor lehet arra számítani, hogy az Európai Unióban így fellendül a kvantumkutatás?
Az Európai Unióban kiemelt kutatási területként kezelik a kvantumtechnológiát, így számos pályázat és ezekből kinőtt projekt fókuszál erre a területre. Nagy erőforrásokat igénylő projekteket, mint amilyen egy szupravezető-alapú 100 majd 1000 kvantumbites gép megépítése, érdemes inkább európai összefogással megvalósítani. Ezeken túl az egyes országoknak van saját kvantumtechnológia-programja. Magyarországon ilyen a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium, ami nem egy hagyományos laboratórium, hanem egy konzorcium, amiben kvantuminformatikában érdekelt budapesti intézmények vesznek részt, úgy mint az ELTE, a BME és a Wigner Fizikai Kutatóközpont. Ennek keretében a kutatók kísérletező kutatómunkát végeznek Magyarországon a kvantumkommunikáció, kvantumszámítás és kvantumérzékelés területén.
Elméleti oldalról pedig, amivel én is foglalkozom, persze ott a lehetőségek tárháza. Az sokkal olcsóbb, az elmélkedéshez csak papír kell, meg egy számítógép. Nincs nagy laborköltség, fel lehet venni a versenyt bárkivel. Ez a lehetőség mindig nyitva áll.
