A Google októberi bejelentése tájfunhoz hasonló vihart kavart a kvantuminformatika – kívülről talán állóvíznek tűnő – tengerén. E közlés és rövidesen érkező kritikája elindította a találgatást a tudomány ezen szekciójának aktuális állásáról, a kvantumfölény eléréséhez szükséges bonyolultsági, felépítésbeli és méretbeli feltételekről.
Kvantumszámítás? Kvantumszámítógép!
A kvantumszámítás maga egy nem klasszikus számítási modell. A feladatok megoldásához szükséges memória nem csupán a szokásos kétértékű állapotokat, hanem a klasszikus értékek tetszőleges kvantum-szuperpozícióját veheti fel.
Egy szokványos számítógép memóriájának alapegysége a bit, mely a nullás vagy egyes értékeket öltheti magára, ez a fizikai világban „magas” vagy „alacsony” feszültségszinteket jelent. Ezzel ellentétben egy kvantumbit a két érték tetszőleges variánsával rendelkezhet (valamilyen valószínűséggel nulla és egy).
A kvantumszámítógép az az eszköz, mellyel nem klasszikus számítások végezhetőek el, kutatók várakozásai szerint a hagyományos számítógépeknél felfoghatatlanul gyorsabban. Nem csoda, hogy jelenleg kutatócsoportok, vállalatok, államok versengenek az első valóban működő és szokványos társait leköröző berendezés létrehozásáért, azaz a kvantumfölény kivívásáért.
Kvantumbit
Felvetődik a kérdés, hogy mi is képes megvalósítani egy kvantumbitet, mely egyszerre veheti fel összes lehetséges állapotát? Kiindulhatunk például két spinállapotú elemi részecske használatából; ám valójában bármely olyan megfigyelhető mennyiség megfelelő jelölt lehet, melynek értéke megmarad az idő múlásával, illetve ez a mennyiség rendelkezik két, jól elkülöníthető, diszkrét sajátértékkel (azaz a logikai nulláknak és egyeseknek megfeleltethető állapottal).
Az utóbbi húsz évben rengeteg különböző elven nyugvó fizikai megvalósítása született a kvantumbiteknek. Szupravezető áramkörök (áramkörök, ahol gyakorlatilag ellenállás nélkül folyik az áram), csapdába ejtett ionok, avagy éppenséggel fénycsapdába helyezett semleges atomok állapotai mind képezhetik kvantumszámítások alapját.
Na de hogyan számol?
Egy művelet elvégzéséhez (ami lehet például egy keresőalgoritmus futtatása) alapvetően három lépésen kell végigmennie a számítógépnek. Mivel a probléma és a rá adandó válasz klasszikus, ellentétben a megoldást végző elemmel (amely valószínűségi), gyakorlatilag a problémát le kell fordítani a gép nyelvére, azaz kezdőértéket adni a több qubitből álló, összefonódott rendszernek; elvégezni az operációkat; majd a folyamat végeztével méréssel megállapítani az eredményt.
A számítás valószínűségi természetéből következik az az első hallásra ijesztő tény, hogy a számítógép által adott eredmény – a kvantumos viselkedésből adódóan – egy véletlen kombináció. Azonban a kimenet valószínűségi eloszlása a helyes megoldás körül csúcsosodik ki, többször lefuttatva a számítást. Így a leggyakoribb kimenetelt helyesnek elfogadva nagy valószínűséggel a valóban helyes eredményt kapjuk válaszul.
Hol tart most a Google?
Októberi bejelentésében a Google arról számolt be, hogy Sycamore nevű kvantumszámítógépével 200 másodperc alatt oldott meg egy olyan feladatot (véletlen számok generálását), ami a világ jelenleg legfejlettebb szuperszámítógépének, az Oak Ridge-i Nemzeti Laboratóriumban található Summitnak 10 ezer évbe telt volna. A Summitot építő IBM rögtön erős kritikával illette a tanulmányt, mondván, hogy legrosszabb esetre adott becslést vesz alapul, és egy megfelelően optimalizált algoritmussal az ő szuperszámítógépük is csupán 2,5 nap alatt végzett volna a problémával.
Eltekintve a számított eredmények vitatott voltától, az 53 helyesen működő qubitet tartalmazó processzorával a Google olyan eredményt ért el, mint előtte senki más, még ha nem is egyértelmű , hogy a kvantumfölényt kivívta-e.
Írta: Csertán Tamás
Források:
Feynman, Richard (June 1982). „Simulating Physics with Computers”. International Journal of Theoretical Physics. 21 (6/7): 467–488.
Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019) doi:10.1038/s41586-019-1666-5
https://www.scientificamerican.com/article/hands-on-with-googles-quantum-computer/
https://www.space.com/amp/quantum-computer-milestone-supremacy.html
