Készen áll a kvantum-számítástechnika arra, hogy a laboratóriumok falai közül kilépve megjelenjen az üzleti életben? Ha igen, mit jelent ez az IT-vezetők számára? A Fujitsu elemzéséből kiderülhet.
Az 1980-as években Richard Feynmann és David Deutsch fizikusok vetették fel elsőként a kvantumfolyamatokra épülő számítógépek megépítésének ötletét a hagyományos, bináris gépek képességeit meghaladó feladatok végrehajtására. Úgy gondolták, hogy csak ilyen számítógépekkel lehet pontosan modellezni a kvantumfolyamatokra épülő világegyetem komplexitását – a molekulák és a csillagok keletkezésétől kezdve az emberi agy működéséig.
Ma, több évtizednyi kitartó munka után, ez a jövőkép megvalósulni látszik. Világszerte számos kutatólabor dolgozik kvantumszámítógépek fejlesztésén és megépítésén – közülük nem egyet a világ legnagyobb technológiai cégei finanszíroznak. Hamarosan, várhatóan 10 éven belül, tanúi lehetünk majd az első olyan általános rendeltetésű kvantumszámítógép kereskedelmi bevezetésének, amely másodpercek alatt képes lesz elvégezni a hagyományos gépekkel több millió vagy akár több milliárd évet igénylő számításokat. De a kvantum-számítástechnika fejlődése már jóval azelőtt, akár néhány év múlva mérhető hatást fog gyakorolni a vállalatokra.
Mi az a kvantumszámítógép?
A hagyományos számítástechnikában a bit értéke nulla vagy egy. A kvantumszámítógép azt használja ki, hogy a kvantummechanikában, az atom alatti szinten nem érvényesülnek a klasszikus fizika törvényei. A logikai kvantumbit (qubit) egyszerre két állapotot is felvehet – másként szólva, értéke egyidejűleg lehet nulla és egy. Ezt szuperpozíciónak hívjuk, és a Schrödinger macskája néven ismert gondolatkísérlettel szokták illusztrálni.
„A kvantum-számítástechnika megteremti annak a lehetőségét, hogy az anyagot molekuláris szinten manipuláljuk, és jelentősen előrelépjünk a mesterséges intelligencia fejlesztésében.”
A kvantum-számítástechnika a kvantumfizika egy másik alapelvét is hasznosítja: az összefonódást. Ez lehetővé teszi, hogy a részecskék úgy kapcsolódjanak össze párokban szétválaszthatatlanul, hogy a pár egyik tagjának bármilyen művelete kiszámítható és azonnali hatást gyakoroljon a másikra, függetlenül attól, hogy milyen távol vannak egymástól. Ez az Einstein által „kísérteties távolhatásnak” nevezett alapelv teremti meg a lehetőségét annak, hogy a qubitek viselkedését számítási és kommunikációs célból szabályozzák.
Mivel a qubit értéke egyszerre lehet nulla és egy, a rendszerhez hozzáadott minden logikai qubit exponenciálisan növeli a számítási teljesítményt. Ezért két qubit (egyszerre) ugyanannyi információt tud feldolgozni, mint négy hagyományos bit, három qubit annyit, mint nyolc bit stb. Egy majdani 56 qubites gép teljesítménye felül fogja múlni bármely hagyományos szuperszámítógépen futó kvantumszámítógépes szimuláció teljesítményét (ezt – némiképp félrevezető módon – kvantumfölénynek nevezik).
Napjaink ambiciózus projektjeiben több ezer (és végül több millió) logikai qubitig skálázható gépek megépítésére törekszenek. Nyilvánvaló, hogy ha a technológia nagy méretekben is működik, forradalmi változások várhatóak. A kvantum-számítástechnika nyomán lehetővé válik az anyag molekuláris szintű manipulálása, és ezen keresztül eddig kifürkészhetetlen természeti folyamatok modellezése, ami egyéb izgalmas lehetőségek mellett a mesterséges intelligencia fejlődésének is komoly lendületet adhat.
Az Oxfordi Egyetem kutatói, Amir Fruchtman és Iris Choi, egy friss („Műszaki fejlesztési ütemterv a hibatűrő számítástechnika megvalósításához” című) tanulmányukban megjegyezték: „Egy ilyen számítógép alkalmazási lehetőségei végtelenek… a lineáris algebrától kezdve a fizika vagy a kémia hagyományos számítógépeknél gyorsabb szimulálásán át a gyors adatbázis-keresésig, pénzügyi elemzésekig, hogy csak néhányat említsünk”.
Milyen messze vagyunk ettől?
A valóságban az új számítástechnikai paradigma még a fejlődés nagyon korai szakaszában tart. Ha a kvantum-számítástechnika fejlődését a hagyományos számítástechnikáéhoz hasonlítjuk, akkor még a tranzisztor előtti korszakban járunk. És nem minden qubit egyforma. Az egyes fejlesztőcsoportok eltérő technikákat alkalmaznak az előállításukra, és a különböző típusok stabilitási szintje is más és más. Vannak szupervezető qubitek, ioncsapda-qubitek, fotonikus qubitek stb. Míg egyesek stabilabbak másoknál, a túlnyomó többség (minden típusnál) nem tudja elég hosszú ideig megőrizni szuperpozíciós állapotát ahhoz, hogy logikai qubitként működjön. Ezért fontos különbséget tenni a fizikai qubitek és az általános, áramkör-alapú számításokhoz szükséges logikai qubitek között.
„A valóságban az új számítástechnikai paradigma még a fejlődés nagyon korai szakaszában tart. Ha a kvantum-számítástechnika fejlődését a hagyományos számítástechnikáéhoz hasonlítjuk, akkor még a tranzisztor előtti korszakban járunk.”
A hibajavítás és a hibatűrés jelentős kihívást jelent. Egyetlen logikai qubit létrehozásához több tíz vagy akár ezer fizikai qubitre lehet szükség, az alkalmazott szemlélettől függően. Vannak egyéb problémák is, például a számítógépek többi elemének (buszok, kapuk) megtervezésével és tápellátásával kapcsolatban.
Ennek ellenére Michele Mosca, a kanadai University of Waterloo kutatási vezetője és a kvantumvilág ismert szereplője szerint a kvantum-számítástechnika terén már elértünk egy fontos fordulópontot. A kihívást ma már a műszaki megvalósítás jelenti, nem az elmélet. „A Yale tudósai szerint a nagyszabású kvantumszámítógép kifejlesztéséhez akkor kerülünk kézzelfogható közelségbe, ha sikerül elérni, hogy 100 vagy annál kevesebb fizikai qubit megbízhatóan egyetlen logikai qubitként viselkedjen. Jelenleg már több projekt is közel áll ennek a megvalósításához” – mutatott rá 2017-ben.
2015-ben a kutatók többsége arra számított, hogy 20-30 év telik majd el az első nagyszabású kvantumszámítógép megjelenéséig, de a fejlődés láttán egyre többen úgy gondolják, hogy erre a már tíz éven belül sor kerülhet.
Hol tartunk most?
Jelenleg mintegy 30 hitelt érdemlő, jól finanszírozott projekt foglalkozik kvantumszámítógépek fejlesztésével a világ különböző országaiban, például az USA-ban, Kínában, az Egyesült Királyságban, Kanadában, Ausztráliában, Franciaországban és Hollandiában. Eddig a szupravezetős qubit a legígéretesebb megközelítés (melyet egyebek mellett például a Google és az Intel is támogat). Az ioncsapdás qubitban is jelentős potenciál van. A szupravezetős qubiteket abszolút nulla fok közeli hőmérsékleten kell tárolni, de ennek ellenére népszerűek egyes technológiai cégek körében, mivel félvezetőkbe építhetők, és gyors a kapuidejük. Az ioncsapdák fejlődése pár évvel le van maradva, de ezeknek megvan az az előnyük, hogy szobahőmérsékleten is működnek, és hosszabb ideig megőrzik az állapotukat. A kapuidejük ugyanakkor lassúbb, és óriási az energiaigényük.
„A normál qubitek összekapcsolása olyan, mint a kártyavárépítés. A Majorana-fermionokat használó topológiai kvantumszámítógépeké inkább a legózáshoz hasonlít.”
A Microsoft az új és potenciálisan jóval stabilabb és skálázhatóbb „topológiai” qubitre alapozza a kvantumszámítógép megépítését. A Majorana-fermionként ismert kvantumrészecsék segítségével rácsozattá kapcsolja össze a qubiteket, ami jelentősen csökkenti a hibajavítás igényét. A Microsoft e területen végzett kutatásait jelenleg az a Leo Kouwenhoven professzor irányítja, akinek a hollandiai Delfti Műszaki Egyetemen működő laboratóriuma elsőként figyelte meg a Majorana-fermiont. Ő sikert jósol ennek a módszernek.
„A normál qubitek összekapcsolása olyan, mint a kártyavárépítés. A Majorana-fermionokat használó topológiai kvantumszámítógépeké inkább a legózáshoz hasonlít. Ez azt jelenti, hogy nagyobb struktúrákat tudunk építeni a kvantumáramkörök létrehozásához.”
Az I-CIO egyik kvantum-számítástechnikában jártas, anonimitást kérő beszélgetőpartnere így vélekedik erről: „A Microsoft komoly fenyegetést jelent a többiekre nézve. Ha sikerül működő processzort létrehoznia, mindenki mást le fog söpörni a porondról. A versenytársai azt mondják, hogy még a Majorana-fermion megalkotásának, illetve manipulálásának lehetőségére sincs bizonyíték, másik szerint azonban a társaság nem tenne ilyen kijelentéseket, ha legalább egy qubitet nem sikerült volna már ilyen módon sikeresen létrehoznia.”
2017-ben más jelentős fejlesztések is zajlottak ezen a területen. Az Intel például kifejlesztett egy 17 qubites chipet, a Google pedig bejelentette, hogy hamarosan bemutat egy olyan, 50 qubites számítógépet, amelynek qubitjei – bár nem valódi logikai qubitek – elég hosszú ideig meg tudják tartani az állapotukat a hasznos számítások elvégzéséhez. A kvantum-számítástechnika iránti elkötelezettségét megerősítve a Microsoft komplett kvantum-számítástechnikai megoldás kifejlesztését, azon belül egy, a Visual Studióval integrált magas szintű kvantumfejlesztő készlet (Quantum Development Kit) bevezetését jelentette be. A fejlesztők egy kvantumgép Azure-alapú hagyományos számítógépes szimulációján tesztelhetik majd kvantumalgoritmusaikat.
Mikor lesznek vállalatunknál is érezhetők a kvantum-számítástechnika előnyei?
Arra senki ne számítson, hogy a közeljövőben általános rendeltetésű kvantumszámítógépet fog telepíteni a szerverteremben. Napjaink laboratóriumi gépei leginkább H. G. Wells valamelyik regényébe illenek – kábelrengeteg, rudak, levegőbe függesztett kamrák. A versenyben jelenleg élen álló labilis szupravezetős qubiteket kriogén kamrákban kell tárolni ahhoz, hogy (a Microsoft topológiai qubitjeihez hasonlóan) optimálisan, a lehető legkisebb interferencia mellett működjenek. Ráadásul energiaigényük is óriási. Ezért az első kereskedelmi célú, általános rendeltetésű számítógépek szinte egészen biztosan csak felhőszolgáltatás formájában lesznek majd elérhetők.
Jóllehet a skálázható általános rendeltetésű kvantumszámítógépre még néhány évet várni kell, a kvantumfejlesztéseknek máris van kereskedelmi hatása. A D-Wave Systems kanadai vállalat például több éve értékesít már ún. adiabatikus kvantumszámítógépeket. A legújabb modell 2000 (fizikai) qubittel rendelkezik. Ezek a rendszerek máshogy működnek, mint az áramköralapú kvantumszámítógépek, és egyáltalán nem rendelkeznek logikai qubitekkel. És bár matematikai és tudományos hátterük elég vegyes, bizonyos problémákat sokkal gyorsabban képesek megoldani a hagyományos számítógépeknél: az optimalizálási feladatokat (pl. a leggyorsabb szállítási útvonal megkeresése az összes felkeresendő cím ismeretében).
„Jóllehet a skálázható általános rendeltetésű kvantumszámítógépre még néhány évet várni kell, a kvantumfejlesztéseknek máris van kereskedelmi hatása.”
A kvantumgépek működését hagyományos számítógépen, szoftverrel is lehet szimulálni az ún. „quantum annealing” technikával. A Fujitsu és a Torontói Egyetem által közösen kifejlesztett Digital Annealing Unit a meglévő félvezető-technológiával képes gyorsan megoldani a kombinatorikai jellegű optimalizációs problémákat – normál szobahőmérsékleten. Dr. Joseph Reger, a Fujitsu EMEIA-régióbeli CTO-ja szerint: „Ez a kvantumszerű technológia jelentős hatást gyakorol majd az üzleti világra, mivel segítségével a vállalatok a jelenleginél 17 ezerszer gyorsabban tudják megoldani a gyakori kombinatorikai optimalizációs problémákat.”
A Fujitsu partnerkapcsolatra lépett a világ jelenleg egyetlen kereskedelmi kvantumszámítógépes szoftverszállítójával, a vancouveri 1QBittel, és be is fektetett a vállalatba. A 1Qbit fejlesztette ki a Digital Annealer szoftvert és kvantumalgoritmusát. A cég vezérigazgatója, Andrew Fursman elmondta: „A Fujitsu Digital Annealer az egyik első olyan, valóban használható hardver, amely a gyakorlatban képes hasznosítani a 1Qbit által az utóbbi négy évben végzett kutatások eredményeit.”
Több vállalatnál is zajlanak olyan fejlesztések az áramköralapú kvantum-számítástechnika terén, amelyektől kereskedelmi hatás várható. Bár lehet, hogy az első ilyen gép nem lesz valóban skálázható kvantumszámítógép, ez a mérföldkő kétségkívül nagy publicitást kap majd, és felkelti a kereskedelmi érdeklődést a terület iránt.
A legújabb kísérletek szerint még egy kisebb áramköralapú kvantumszámítógép is jóval gyorsabban képes elvégezni komoly számításokat, mint egy hagyományos gép. Az ilyen rendszerek várhatóan 3-5 évben belül megjelennek majd, elsőként a kvantumkémia, az intelligens anyagok és a gépi tanulás területén.
Mit kell tennünk a felkészüléshez?
Azon kívül, hogy követik a terület fejlődését, az IT-vezetőknek el kell gondolkodnunk jelenlegi titkosítási gyakorlatukról. 1994-ben Peter Shor matematikus kidolgozott egy olyan kvantumalgoritmust, amely prímszámok faktorálása alapján bármilyen titkosítás képes feltörni, még az RSA-t is. Mivel jelenleg a legtöbb online adatot és kommunikációt RSA titkosítással védik, a vállalatoknak kvantumbiztos titkosításra kell átállniuk addigra, amikor megjelenik az első, Shor algoritmusának futtatására képes kvantumszámítógép. Ha Mosca, a Microsoft és mások jóslatai valóra válnak, ez 10 éven belül megtörténhet. Mivel egy nagyvállalatnál több évig is eltarthat, amíg minden kényes adatot hathatósan védeni tudnak, itt az ideje, hogy az üzleti világ felismerje a problémát, és hozzáfogjon annak megoldásához.
