Döbbenetes a kvantumgépek gyorsasága

A kvantum-számítástechnika valami – eddig egészen ismeretlen – csoda, hiszen a földi halandó számára rejtélyes „tippeken” és valószínűségeken alapul a működése. Valahogy úgy kell ezt elképzelni, mint a kvantumfizika részecskéit, amelyek egyszerre vannak és nincsenek egy helyen, egy állapotban, úgynevezett szuperpozícióban.

Ez a gyökeresen rendhagyó számítástechnikai megközelítés viszont egészen más ligába emeli a kvantumgépek gyorsaságát, számítási teljesítményét bizonyos típusú műveletek elvégzése tekintetében.

Ez az úgynevezett kvantumelőny vagy -fölény, amely nem egyszerűen utcahossznyi az eddigi digitális, bináris gépekhez képest, hanem – túlzás nélkül – ég és föld a közöttük lévő különbség.

Egyszerűbben szólva a kvantumfölény azt a mértéket jelenti, amellyel egy kvantumszámítógép jobb a hagyományos komputernél. Ennek demonstrációja pedig egy olyan művelet, amelyet a kvantumgép meg tud oldani, a hagyományos pedig gyakorlatilag nem vagy iszonyatosan lassan, tehát értelmezhetetlen, sokéves vagy – mint lentebb látni fogjuk – akár sok ezer éves időkerettel.

Egy friss kanadai siker

Hogy ne a levegőbe beszéljünk: pár héttel ezelőtt egy kanadai kvantumgép, a Xanadu cég Borealis nevű rendszere sokadjára prezentálta ezt az elképesztő sebességet. Az igen neves Nature tudományos folyóiratban június elején megjelent tanulmány szerint a komputer 36 mikroszekundum alatt oldott meg egy Gaussian Boson Sampling (GBS), azaz Gauss-bozonmintavétel nevű számítási feladatot, amelyet a földkerekség jelenleg messze leggyorsabb szuperszámítógépe nagyjából 9 ezer év alatt teljesített volna… Ráadásul immár szabadon elérhető ez az új rendszer más számításokhoz is.

Ki sem lehet fejezni mindennapi számokkal a különbséget.

Kilencezer év az 284 milliárd másodperc, csakhogy a kvantumgép nem 284 milliárdszor volt gyorsabb,

hiszen az új eszköz nem egy teljes, hanem mindössze 0,000036 másodpercet töltött a művelettel, tehát a pontos nagyságrendhez a 284 milliárdot még 27 778-cal lenne érdemes megszorozni, de ekkora számokat már csak a matematikusok és a fizikusok tudnak kezelni.

Mi több, ez az időelőny több mint 50 milliószor nagyobb, mint a korábbi, fotonikus rendszereket használó demonstrációk esetében.

Nem minden művelet gyorsabb

Tavaly a Xanadu egyébként egy meglévő kvantumprocesszort, illetve rendszerfejlesztést tökéletesített, amely a GlobalFoundries, az Nvidia, a Multiverse Computing, a finn VTT Műszaki Kutatóközpont és a Menten AI együttműködéséből jött létre. A kanadai társaság tehát most óriási kvantumelőnyt prezentált a Borealis fotonikus kvantumszámítógépe révén.

A Borealis 216 kvantumbittel működik, és mint fent elemeztük, bizonyítottan jócskán felülmúlta a klasszikus szuperszámítógépek teljesítményét – igaz, csak egy jól körülhatárolt, adott feladat elvégzésében. A Gauss-bozonmintavétel ugyanis egy olyan eljárás, melynek folyamán bozonpárok megjelenését próbálják megjósolni egy úgynevezett lineáris interferométeren.

A cég a komputert és annak képességeit ezúttal a Xanadu Cloudon, a vállalat fotonikus kvantumszámítási platformján, valamint az Amazon Braketen keresztül tette elérhetővé a nyilvánosság számára – ami hatalmas dolog ebben a korai fázisban, és újra mutatja, hogy a feltalálók nem akarják feltétlenül kisajátítani e potenciális lehetőséget.

A Xanadu szerint az elmúlt napokban történt előrelépésnek köszönhetően a Borealis az első olyan fotonikus kvantumszámítógép, amely az összes logikai kapujának a teljes programozhatóságát kínálja a kvantumszámítási előnyök demonstrálására. Ez ráadásul az első alkalom, hogy egy érdemi kvantumelőnyre képes gép a nyilvánosság számára elérhetővé válik a felhőben.

Kínai konkurens is van

Ugyanakkor tavalyelőtt egy kínai fizikusokból álló csoport azt kürtölte világgá, hogy ennél is nagyobb kvantumelőnyt mutatott ki egy fényvezérelt kvantumszámítógép, a Csiucsang (Jiuzhang) segítségével, amely olyan számítások elvégzésére volt képes, amelyek megoldásához egy klasszikus szuperkomputernek becslések szerint 600 millió évre lenne szüksége. A csapat fotonikus kvantumszámítógépe végül néhány perc alatt oldotta meg az emlegetett bozonmintavételi feladatot – ez amúgy egy eredetileg 2011-ben kitalált számítás. Sokszor csak amolyan teszt az okos és/vagy gyors gépek számára.

A kínaiak úgy gondolják, hogy Sycamore nevű eszközük volt az első, amely egyértelmű kvantumelőnyt ért el. Azonban míg ezt csipalapú szupravezető áramkörök hajtották, addig a kínai Hofejben működő csapat egy pumpalézer által szállított fotonokra támaszkodó megoldással rukkolt elő.

Visszakanyarodva a kanadai fejlesztéshez: a Xanadu Borealis mindenesetre szintetizálja az úgynevezett szorított állapotú qubiteket, amelyek a felhasználó által megadott program szerint három dimenzióban fonódnak össze. A Borealis olyan sebességgel generál mintákat ebből az állapotból, amely – mint láttuk – sokmilliárdszorosan meghaladja bármely létező klasszikus szuperszámítógép képességeit.

Mi is az a kvantum-számítástechnika?

A kvantumszámítás a számítások olyan típusa, amely a kvantumállapotok tulajdonságait, például a szuperpozíciót, az interferenciát és az összefonódást használja fel a feladatok elvégzéséhez. A kvantumszámításokat végző eszközöket pedig kvantumszámítógépeknek nevezik. A jelenlegiek túl kis memóriájuk és sávszélességük van ahhoz, hogy a gyakorlati alkalmazásokban felülmúlják a hagyományos komputereket. Viszont bizonyos számítási problémákat, például az egész számok faktorálását (amely az RSA-titkosítás alapját képezi) lényegesen gyorsabban képesek megoldani, mint a klasszikus számítógépek.

A kvantumszámítógépeknek, avagy kvantumszámítógépes rendszereknek több típusa létezik, köztük a kvantumos áramköri modell, a kvantum-Turing-gép, az adiabatikus kvantumkomputer, az egyirányú kvantumszámítógép és a különböző kvantumcelluláris automaták. A legszélesebb körben használt modell a kvantumáramkör, melynek alapja a kvantumbit vagy „qubit”, amely némileg analóg a klasszikus számításban használt bittel. A qubit lehet 1 vagy 0 kvantumállapotban, vagy az 1 és 0 állapotok szuperpozíciójában.

Méréskor azonban mindig 0 vagy 1, és bármelyik kimenetel valószínűsége a qubitnek közvetlenül a mérés előtti kvantumállapotától függ, hasonlóan a kvantumfizikai részecskék viselkedéséhez.

A fizikai kvantumszámítógépek megépítésére irányuló kísérletek olyan technológiákra összpontosítanak, mint az ioncsapdák és a topológiai kvantumszámítógépek, amelyek célja jó minőségű qubitek létrehozása. Mivel különösen nehéz a qubitek kvantumállapotainak a fenntartása, így a kvantumkomputerekhez külön fejlesztett hibajavítási megoldásokra van szükség. Ám minden olyan számítási probléma, amelyet egy klasszikus számítógép meg tud oldani, egy kvantumszámítógép által is elvégezhető és fordítva, ám utóbbi esetben, mint fent láttuk, akár sok ezer éves munka is lehet egy sima komputer számára egy a kvantumgépeknek egyszerűnek tűnő feladat.