Azt, hogy mi is valójában a kvantumszámítógép és hogyan működik, még egy a tudomány, a fizika iránt érdeklődő, műszaki, tanult embernek sem feltétlenül lehet két tőmondatban elmagyarázni. De nagyon röviden és nagyon leegyszerűsítve arról van szó, hogy az összes mai csip, illetve komputer közös működési alapelve változik, újul most meg. A magyar származású zseni, Neumann János, aki a digitális számítógép elvének a kidolgozásával vált világhírűvé lassan hetven esztendeje, lényegében a „van áram-nincs áram” elvet a gyakorlatba ültetve fektette le a digitális processzortechnológia matematikai alapjait. Az elektroncsövek, majd a tranzisztorok, illetve azok miniatürizált formái (melyek a mai csipeken működnek) lényegében kis „vízcsapnak” képzelhetők el. Ezek parancsra elzárják vagy kinyitják az áram, az elektronok folyásának az útját. Azaz „van áram, nincs áram” állapotokat hoznak létre. (Ilyen tranzisztorokból egy mai asztali gép, mondjuk egy Intel Core i7-es csúcsprocesszorában közel 1,9 milliárd található!)
HOL VAN AZ ÁRAM?
A nulla (nincs áram) vagy egyes (van áram) értéket bitnek hívjuk, és ezek alapján működik az űrrakétáktól az autókon és a telefonokon át egészen a kenyérpirítót vagy a tévé távirányítóját vezérlő csipekben lényegében minden. Az elv pedig hét évtizede változatlan: ha a tranzisztorokban van áram, a bit értéke egy, ha nincs, akkor nulla. Ezt a régi koncepciót haladja most meg a kvantumszámítógép – méghozzá alapjaiban.
Főként azért, mert a mai csiptran-zisztorok méreteit már nem lehet csökkenteni, ugyanis olyan kicsik – 20 nanométer alattiak –, hogy „a csapok nem zárnak eléggé jól, átfolyik, átszivárog rajtuk az áram”; de ez még jól is jön, mert ilyen kis méreteknél működik igazán megfelelően a kvantumbitek alább kifejtendő elve.
Bitek helyett ugyanis a kvantum-számítástechnika úgynevezett kvantumbiteken (röviden: qbiteken) alapul, amelyek a „nulla vagy egyes érték” elvén működnek ugyan, mégis van egy hatalmas különbség. Amíg ki nem olvassuk ezen újfajta qbitek értékét, addig azok a nulla és az egy bármelyikét hordozhatják. Tehát amíg meg nem mérik őket, addig egyfajta bizonytalan állapotban vannak. A tranzisztoroknak (vízcsapoknak) hol az egyik, hol a másik vége „vizes”.
Hogyan lesz ebből bizonyosság? A számítások során trükkös eljárásokkal próbaképpen többször „megmérik”, azaz kiolvassák a megoldást adó biteket, így többféle módszerrel ellenőrzik, helyesen tippelték-e meg az eredményt. De hiába kell többször visszaellenőrizni a kapott adatot, még így is sok-sok nagyságrenddel gyorsabb például a kódfejtés, a biológiai, űrkutatási, meteorológiai szimulációk futtatása, vagy éppen egy hatalmas adattömegben – interneten vagy más adatbázisokban – történő keresés.
VAN EGY ÉLLOVAS
Kapaszkodjanak meg: alapesetben is 10–50 ezerszer gyorsabb egy kezdetleges kvantumgép, mint egy mai átlagos komputer! És ez még csak a kezdet, mert a kvantum-számítás-technika fejlődése lassan a processzoroknál a nyolcvanas-kilencvenes években látott sebességet veszi fel. A gyorsulás elképesztő: a kétezres évek elején, a kvantumgépek első igazi kísérletei során például úgy vélték, hogy 24 milliárd évbe telne egy bizonyos fotoszintetizáló fehérje (a ferredoxin) energiaszintjének a kiszámítása ezen eszközök egy akkori modelljével. Ma egy órára becsülik ezt az időt! A -dolog egészen hátborzongató. Már csak azért is, mert nem egy sci-fit nézünk, hanem valós időben történik velünk ez a – nem épp veszélytelen – fejlődés.
Az erre a területre specializálódott cégek közül jelenleg talán a legismertebb, a D-Wave Systems százfős kanadai processzorgyártó például már 19 éve fejleszt és hét esztendeje árul is kvantumcsipeket. Méghozzá a védelmi iparnak, a Lockheed Martinnak, a NASA-nak, a Google-nak értékesíti őket, s ezeket immár mesterségesintelligencia-rendszerekben is használják. Egy kvantumgép ára átszámítva közel négymilliárd forint.
De az ár jelentősen csökkenhet, ugyanis az utóbbi hónapokban a konkurens gyártók szintén óriási mérföldkövekhez érkeztek. Beérett az IBM, az Intel, a Microsoft és a Google több kvantum-számítástechnikai fejlesztése, s működő csipeket jelentettek be, a Microsoft pedig Q# néven kvantumprogramnyelvvel állt elő de-cember közepén. Ez még tovább egyszerűsíti az abból a célból indult folyamatot, hogy a való életben is használható legyen az emlegetett sohasem látott számítási sebesség.
Tehát a fejlesztésekben a „kritikus tömeget” lassan elérik a gyártók, így nem csak a hadseregek és a titkosszolgálatok, vagy épp a dollármilliárdos nagyvállalatok hóbortja lesz négy-hat éven belül a kvantumalapú szupergép.
KÓDTÖRÉSRE NAGYON JÓ
Fontos, hogy ez a technológia mindig is a titkos katonai IT-fejlesztések homlokterében volt, és a világ vezető hatalmai – különféle, meg nem erősített értesülések szerint – dollármilliárdos nagyságrendű összegeket öltek bele abba, hogy elsőként alkossák meg a működő kvantumszámítógépet. Szokás szerint erre nincs túl sok bizonyíték, de nem is ez a lényeg. Hanem az, hogy mire is jó egy ilyen eszköz. Legfőképpen és legelsősorban kódfejtésre! A mai titkosított netes csatornák többsége ugyanis egyszeriben percek alatt feltörhető lenne, ha egy kellően nagy teljesítményű, de elérhető árú csipet lehetne letenni az asztalra. Bizonyos, hogy pár éven belül az IT-biztonságot is újra kell gondolni a kvantumcsipek elterjedésével.
Kijöttek tehát az első, szélesebb körben tesztelhető kísérleti kvantumprocesszorok. A nagyok közül talán az IBM volt az első, ahol már 2016 tavaszától Quantum Experience (QX), majd IBM Q néven egy szerveren futó változatot lehet elérni kísérleti jelleggel, 5, illetve 16 qbites verzióban. Most a nagy kihívás az 50 qbit elérése, mert egy ilyen csip már a mai szuperszámítógépekkel is felveheti a versenyt. A Google mellett az Intel szintén bejelentett ilyen teljesítményű, tesztelés alatt álló processzorokat az elmúlt hetekben.
Mindehhez persze lesz pár szava Jeff Bezosnak, az Amazon.com legendás vezérének is. Ő az egyik nagy finanszírozója ugyanis a D-Wave nevű, fentebb említett úttörő cégnek. Ők persze nevethetnének, hiszen 2000 qbites a gépük (az a bizonyos négymilliárd forintos masina), ám teljesen más megközelítésben dolgoznak, így hiába a nagy szám, a valós teljesítményük a modernebb 50 qbites masináké alatt marad, és azért sem olcsó a gép, mert a processzort –273 fokon kell tartani. Viszont a D-Wave így is csak 22 kilowatt villamos energiát fogyaszt, szemben a hasonló számítási teljesítményű, de hagyományos szuperszámítógépek 2000 kilowatt feletti áramfelvételével.
