(Kiemelt kép: Unsplash+)
Az elmúlt 50 évben a technológiánk az úgynevezett Moore-törvényt követte, mely szerint a számítógépek teljesítménye körülbelül 18 havonta megduplázódik. Ez azt jelenti, hogy minden új számítógép és okostelefon nagyobb teljesítményű lesz, mint az előző, miközben kisebb és karcsúbb kialakítású. Ez a tendencia azonban nem tarthat örökké. Egyes kutatók úgy vélik, hogy ennek a trendnek az utolsó éveiben járunk, mivel a számítástechnikai teljesítmény terén elért fejlődésünk kezd kiegyenlítődni. Michio Kaku fizikus szerint ez a Szilícium-völgy korszakának végét fogja jelenteni, és recessziót okozhat, ha nem használunk olyan új anyagokat, mint a grafén, vagy nem alkalmazunk olyan eszközöket, mint a kvantumszámítógépek, hogy folytassuk a fejlődésünket.
Mielőtt belemennénk a kvantumszámítógépekbe, íme egy rövid áttekintés a közönséges számítógépek működéséről: a számítógépes chipek alapmodulokból állnak, melyek logikai kapukból állnak, ezek viszont tranzisztorok kombinációjából szerveződnek. Ez az, amiből az egész számítógép áll – egyszerű lépések sorozata, melyek összetettebb folyamatokat hoznak létre. A tranzisztorok elektromos kapcsolók, melyek úgy működnek, mint egy villanykörte. Nyitva vagy zárva lehetnek, lehetővé téve vagy megakadályozva az elektromosság és az információ átjutását. Ezek az egyszerű kis alkatrészek nélkülözhetetlenek minden elektronikánkhoz, és a jó hír az, hogy minél kisebbre készítjük őket, annál gyorsabbak lesznek, miközben kevesebb energiát fogyasztanak. Ezért van az, hogy a tranzisztorok ma már megközelítik az egyetlen atom méretét. De van egy probléma ezzel az ötlettel. A laptopunkban és az okostelefonunkban lévő több milliárd tranzisztor ma körülbelül 14 nanométeres vagy annál kisebb (hogy érzékeltessük, ez milyen kicsi, egyetlen hajszál szélessége körülbelül 100 000 nanométer), ami már így is nagyon kompakt és lenyűgöző. De amint a tranzisztorok elérik a kellően kis méretarányt, hajlamosak a kvantum-alagutazásra. Ez azt jelenti, hogy amikor a tranzisztorok megpróbálják megakadályozni az elektronok áthaladását, azok az elektronok egyszerűen így is, úgy is megjelenhetnek a másik oldalon. Ez sokkal több hibához és zajhoz vezet, ami több korrekciót igényel, ami nagyobb teljesítményű processzorokat vindikál, és így tovább. A kvantumszámítógépek mögött álló elképzelés az, hogy a kvantumvilág ezen jelenségeit a saját előnyünkre fordítsuk, és jobb gépeket hozzunk létre. A közönséges számítógépekben az információt bitek formájában kódolják, melyek vagy 1-et, vagy 0-t jelentenek. Minél több bit van, annál összetettebb lehet az információ. Ezek az 1-ek és 0-k származhatnak abból, hogy a számítógép be- vagy kikapcsolja a feszültséget egy áramkörben. A kvantumszámítógépek a bitek helyett qubiteket használnak (kvantumbitek, amelyek foton, elektron vagy atommag segítségével készíthetők), melyek 1, 0 vagy a kettő kombinációjának állapotában lehetnek. Az úgynevezett szuperpozícióban a qubitek két állapot között is lehetnek. Mondhatjuk például, hogy 30%-ban 1 és 70%-ban 0. A qubitek csak akkor kerülnek egy meghatározott állapotba, ha megfigyelik őket. Ez a lehetőség azt jelenti, hogy míg a klasszikus bitek a 16 lehetséges kombinációból csak 1-ben lehetnek, addig a qubitek egyszerre mind a 16 kombinációban felbukkanhatnak. Másképp fogalmazva, az atomok mágneses mezőben felfelé vagy lefelé pörögnek. Ha felfelé pörög, az 0, ha lefelé pörög, az 1. Most képzeljük el, hogy ferdén pörögnek. A szuperpozíció lényege, hogy egyszerre több állapotban is lehetnek.
Ha a qubitek egyszerű megfigyelése megváltoztatja őket, és információvesztést okoz, akkor el lehet képzelni, milyen érzékenyek. A kvantumszámítógépek egyik problémája, hogy a kvantumhatások rendkívül érzékenyek. A hő, a zaj és a por miatt a qubitek megváltoztathatják szuperpozíciós állapotukat, ezért ezeket a számítógépeket árnyékolni kell, és nagyon hideg hőmérsékleten kell működtetni, néha csak néhány fokkal melegebben, mint az abszolút nulla (-459,67°F). A kutatók rezonátorokat használnak a qubitek állapotának megtekintésére és leolvasására, mivel a rezonátorokkal sokkal könnyebb kölcsönhatásba lépni. Más jelenségek, melyeket ezek a számítógépek használnak, a kvantum összefonódás és az interferencia. Az összefonódás a híres „kísérteties távoli cselekvés”, melyről Einstein beszélt. Ez egy olyan kapcsolat a részecskék között, ahol az egyik részecske megváltoztatása azonnal változtatja a másikat, függetlenül attól, hogy mekkora a távolság közöttük. Az interferencia az a képesség, hogy a kvantumállapotokat úgy irányítjuk, hogy a helyes válasz felé tartó jeleket elősegítsük, a rossz válasz felé tartó jeleket pedig kiiktassuk, nagyon hasonlóan ahhoz, ahogyan a zajszűrő fejhallgató precíz hullámokkal kioltja a beérkező zajhullámokat, és csak csend marad.
Egy új korszak kapujában
Bár mindez nagyon szépen hangzik – és ígéretes is -, sokan úgy vélik, hogy a kvantumszámítógépek jelentik majd a választ mindenre, és a szuper fejlett technológia és a futurizmus új korszakába vezetnek bennünket. Az igazság az, hogy egyáltalán nem valószínű, hogy lesz majd kvantumszámítógép személyes használatra is. A klasszikus számítógépeknél csak nagyon speciális funkciók, például az atomi kötések és adatbázis-keresések esetén jobbak. Ezek olyan problémák, melyeket a közönséges számítógépek nehezen tudnak megoldani. Ami a természetben zajló folyamatok, például a fotoszintézis modellezését illeti, a mi számítógépeink erre egyáltalán nem képesek, mert a természet az információit kvantummechanikába kódolja. A kvantumesemények modellezéséhez kvantumgépre van szükség. Az ilyen számítógépek további felhasználási területei az emberi agy feltérképezése, a kémiai kötések szimulálása, nagy mennyiségű adat elemzése, a minták felismerése, az éghajlatváltozás modellezése, a közlekedés hatékonyabbá tétele, valamint a mesterséges intelligencia területén elért fejlődés lehetővé tétele lesznek. Ha egy feladatban 100 millió lehetőség közül egyetlen helyes választ kellene találni, egy közönséges számítógép 50 millió lépést tenne meg ennek érdekében. Egy kvantumszámítógép csak 10.000 lépésen menne keresztül. Ezt Grover algoritmusának nevezik, és ez egy példa arra, hogy a kvantumgépek mit tudnának jobban csinálni. Sok olyan kihívással nézünk szembe, melyekkel már az első számítógépek programozásakor is szembenéztünk, valamint olyan új kihívásokkal, mint a koherenciaidő – hogy egy qubit mennyi ideig képes megtartani az információt. A vállalatok is elkezdték megkérdőjelezni a biztonsági intézkedéseket, mivel a kvantumszámítógépek könnyen átrepülhetnének a csevegéseinket, a közösségi médiát, az online áruházakat és a banki szolgáltatásokat biztosító titkosítások alapjául szolgáló matematikán. Egyelőre, aki nem rendelkezik kvantumszámítógéppel, az nem marad le semmiről. A kvantumszámítógépek még nem tudnak jobban működni, mint a klasszikus számítógépeink, és várhatóan még legalább egy évtizedig nem is fognak.
A valóság odaát van
Igaz, hogy a kvantumszámítógépek még nem rendelkeznek széles körű gyakorlati alkalmazásokkal, sőt a kutatók még mindig küzdenek azzal a régóta fennálló problémával, hogy a szuperpozíciót és az összefonódást elég hosszú ideig fenntartsák ahhoz, hogy hasznos számításokat végezzenek. Azonban már most is használják őket klasszikus számítógépekkel együtt, hogy valós üzleti problémákat oldjanak meg – ez a megközelítés „hibrid számítás” néven ismert. A kvantumszámítógépek jelenleg csak olyan problémák megoldására alkalmasak, ahol a kvantumfizika törvényeit hasznosító megközelítésük jobb, mint a klasszikus számítógépeké. A klasszikus számítógépek sok esetben még mindig gyorsabbak vagy jobbak. Ebben a hibrid munkafolyamatban a problémát kvantum- és klasszikus összetevőkre bontják, a megfelelő processzorok megoldják, majd a megoldásokat újra kombinálják, hogy lehetséges válaszokat adjanak. A kvantumtechnológiával való kapcsolódáshoz, a felhasználói adatok kezeléséhez, a szerverekkel való kommunikációhoz és az eredmények megjelenítéséhez klasszikus számítógépekre is szükség van. A kvantumszámítás felhőn keresztüli elérhetősége azt is kiküszöbölte, hogy a felhasználóknak megfizethetetlenül drága és nagy karbantartási igényű gépeket kelljen beszerezniük. Bár a kvantumszámításhoz való hozzáférés költségei csökkentek, a kvantumszámítási idő bérlése még mindig elég drága ahhoz, hogy az ügyfelek általában ipari vagy kutatási esetek legyenek.
Milyen hozzáadott értéket teremthet?
Ez arra ösztönözte a vállalatokat, hogy kísérletezzenek azzal, hogy a kvantum-számítástechnika milyen hozzáadott értéket teremthet az üzleti tevékenységükhöz. A Volkswagen autógyártó például a D-Wave Systems felhőalapú hibrid számítástechnikai szolgáltatóval kötött partnerséget a költségek csökkentése és a működés hatékonyságának növelése érdekében. A Volkswagen a hibrid számítástechnikát arra használta, hogy a járműveket a nyereségszükséglet és a vásárlói kereslet függvényében árazza be, valamint hogy hatékonyabb ütemtervet állítson össze a futószalagon átmenő autók festőüzemében. Egy másik példa a Menten AI gyógyszeripari vállalat, mely a D-Wave szolgáltatásait használta fel egy új típusú COVID-19 vakcina fehérjéjének megtervezéséhez. Ezek az esetek azt mutatják, hogy a kvantum-számítástechnika – bár hibrid formában – már most is értéket teremt a vállalkozások számára. Mindazonáltal, bár ezek a fejlesztések izgalmasak, fontos felismerni, hogy a kvantumszámításnak megvannak a maga korlátai. Szakértők aggályokat fogalmaztak meg azzal kapcsolatban, hogy ezek a viszonylag kevés qubitet tartalmazó Near Intermediate Scale Quantum (NISQ) számítógépek valóban képesek-e elvégezni mindazokat a feladatokat, melyeket a D-Wave-hez hasonló kvantum-számítástechnikai vállalatok állítanak. A kvantumszámítással foglalkozó cégeket ugyanis arra ösztönözhetik, hogy saját termékeiket reklámozzák, hogy ügyfeleket, befektetőket és kormányzati finanszírozást vonzzanak.
Egy újabb dilemma
Még az is vitatott, hogy a D-Wave hibrid számítógépei, melyek a „kvantumlágyításnak” nevezett technikára támaszkodnak, és csak bizonyos típusú problémák megoldására képesek, a tipikusabb, általános célú, kapu alapú kvantumszámítógépek mellé sorolhatók-e. A D-Wave hibrid számítógépei a kvantumszámítógépek közé tartoznak. A kapu alapú gépek koncepcionálisan inkább a klasszikus számítógépekhez hasonlóan működnek, ahol a műveleteket a qubitek különböző módon történő konfigurálásával végzik. Ez az architektúra lehetővé teszi számukra, hogy sokféle problémát megoldjanak. Eközben a kvantumlágyítók csak olyan problémákat tudnak megoldani, melyek energiaminimalizálásként fogalmazhatók meg, olyan alacsony energiájú állapotokat találva, melyek optimális vagy közel optimális megoldásoknak felelnek meg. A kvantum-lágyítók előnye azonban az, hogy könnyebben skálázhatók, így több qubitet és ezáltal nagyobb számítási teljesítményt tudnak bevonni. Mindenesetre a kvantumlágyítókat nem szabad úgy hirdetni, mint a kvantumtechnológiát a működésükben alkalmazni kívánó vállalkozások mindenre kiterjedő megoldását. Ráadásul szubjektív lehet, hogy mi számít értékteremtésnek a kvantum-számítástechnológia révén, és mi a kvantum-számítástechnológia gyakorlati alkalmazása. A D-Wave például azzal hirdeti hibrid számítástechnikai technológiáját, hogy az versenyelőnyt biztosít a pénzügyi szolgáltatási ágazatban tevékenykedő ügyfelek számára. Kiemelik az Accenture vállalattal való partnerségüket, melynek keretében kvantum-algoritmusokat fejlesztettek ki a devizaarbitrázs, a hitelpontozás és a kereskedés optimalizálásának lehetőségeihez. A tényleges kvantumhardver azonban, melyen ezek az algoritmusok futnának, még nem létezik. Ezek a vállalatok azzal érvelnek, hogy ez a projekt döntő fontosságú volt „a jövőbeli hardverek kvantumkészségének lehetővé tételében”. Valós körülmények között végzett kísérletek nélkül azonban nehéz bizonyossággal megmondani, hogy ezek az algoritmusok vagy általában a kvantumtechnológia konkrét hatást gyakorolhat-e a pénzügyekre vagy bármely más iparágra, amelyet állítólag forradalmasítani fog ez a technológia.
Egyrészt a kvantum-számítástechnika ismeretlen lehetőségeket rejt magában, melyeket csak a kormányzati finanszírozás és a magánbefektetések által lehetővé tett kutatás és kísérletezés révén fedezhetünk fel. Ahhoz, hogy igazolják ezt a támogatást, a vállalatoknak és a tudósoknak bizalmat kell kifejezniük abban, hogy a kvantum-számítástechnika hasznos (vagy hasznos lesz). Másrészt a kvantum-hype félrevezetheti, sőt, megtévesztheti az embereket, hogy a kvantum-számítástechnika a világ összes problémájának csodaszere lesz. Tudatában kell lennünk ennek a feszültségnek a tudomány igényei között, amelynek fejlődéséhez elengedhetetlen a kísérletek korlátainak őszintesége, valamint a kereskedelem igényei között. Az ipar számára pedig nehéz lesz az egyensúlyozás.
