Még szeptember végén adta hírül egy kiszivárgott dokumentumra hivatkozva a Nature magazin, hogy a Google kutatói elérték a kvantumfölényt, tehát az általuk épített kvantumszámítógép olyan problémát oldott meg percek alatt, amivel a világ legnagyobb szuperszámítógépe is csak tízezer év alatt végezhetne. A napokban pedig maga a Google is megerősítette a feladat elvégzésének tényét - de azért nem árt egy kicsit távolabbról szemlélni az egészet. A lehető legközérthetőbb módon próbáljuk elmagyarázni, hogy egyrészt mi is a kvantumszámítástechnika, mire jó és mire nem, és ebből levezetjük, hogy nagyjából milyen világot hozhat el a mostani eredmény.
Hol tartunk most?
A manapság használt számítógépek, beleértve a PC-ken kívül a telefonokat, tableteket, okosórákat és minden egyéb kütyüt a kínai piacos tetris klónig ugyanazon az elven működnek. Digitális eszközök, tehát a bitek állapota vagy 1, vagy 0. A komplex feladatokat úgy oldják meg, hogy bonyolultságuktól függően sok ezer, vagy akár sok millió ilyen kis kapcsoló dolgozik egymás mellett.
Nagyjából ezért is van az, hogy a jelenkori számítástechnika nagyjából ugyanazzal a sebességgel fejlődik évtizedek óta, hiszen a teljesítmények és funkciók növelését (hihetetlenül leegyszerűsítve persze) azzal lehet mind feljebb srófolni, hogy ez a sok-sok kis kapcsoló még több és még több legyen, valamint egyre gyorsabban legyenek képesek dolgozni. Persze ehhez hozzájön az is, hogy az egykor szobányi méretű számítógépek manapság már akár egy csuklón lévő okosóra formájára is zsugorodtak, miközben a chipekre egyre több alkatrész kerül, csak éppen már mikroszkopikus méretben. Emellett pedig fontos az energiahatékonyság is, hiszen nem köthetünk atomreaktort minden telefonra és laptopra.
Lényeg a lényeg, a hagyományosnak nevezett számítástechnika ugyan évről évre gyorsabb és okosabb megoldásokat tesz lehetővé, de egy nagyjából egyenletes tempóban fejlődik, és (ismét nagyon leegyszerűsítve) ugyanazt tudja, mint korábban, csak egy kicsit gyorsabban - ezáltal lesz képes egyre többféle feladatot ellátni. De persze ennek is megvannak a határai, az egyik például épp az időfaktor, az első x86-os chiptől a 10. generációs Intel Core processzorig is sok-sok lépés vezetett, és ugyanígy lépcsőfokonként is halad tovább a fejlesztés.
Eközben van jó néhány olyan probléma, amelynek megoldásához szimplán nem elég a jelenlegi kapacitás. Bonyolult modellezési és statisztikai feladatokra, tudományos számításokra és hasonló kaliberű munkákra ezért építenek folyamatosan szuperszámítógépeket, amelyek pont azzal igyekeznek kijátszani a hagyományos számítástechnika határait, hogy embertelen méretű gépszörnyek születnek hegynyi processzorral, memóriával és egyéb alkatrésszel, miközben az áramfelvételük annyi, mint egy kisebb városé. Ilyen például a világ jelenlegi legerősebb szuperszámítógépe, az IBM Summit, ami gyakorlatilag egy több focipályányi helyen működő adatközpont, szóval az alábbi képre is csak egy kis részlete fért el.
Kvantumok és qbitek, avagy 1+1 az mennyi?
A kvantumszámítástechnika lényege az, hogy az itteni végrehajtó egységeknek (a kvantumbiteknek, röviden qubiteknek vagy qbiteknek) nem csak 1 és 0 állapotuk van, hanem felvehetnek egy úgynevezett szuperpozíciót is, amelyet a legközérthetőbben a Schrödinger macskája néven elhíresült elmélet szemléltethet. Ez az, amelynek során egy macskát és egy mérgezett ételt egy dobozba zárnak (természetesen csak elméletben). Az, hogy a macska egy adott pillanatban él-e vagy sem, csak akkor tudhatjuk meg, ha kinyitjuk a dobozt, mindaddig a macska ebben a szuperpozícióban létezik, egyszerre él és halott.
A qbitek értéke ennek megfelelően a két állapot között sokféle lehet attól függően, melyik érték a valószínűbb. Ez persze még így is nagyon konyhanyelven megfogalmazott meghatározás, de a lényeg az, hogy egy kvantumszámítógép a qbitek értékét felhasználva old meg logikai feladatokat.
Az első dolog, amit meg kell jegyezni az összehasonlítás során, hogy hiába beszél a Google is egyértelmű kvantumfölényről, ez azért erősen vitatható. Eleve a kifejezés azt az eredményt jelentené, hogy egy kvantumszámítógép olyan feladatot old meg, amelyet egy hagyományos gép nem tud. A Google itt a fent említett IBM Summitot vette alapul, de itt sem azt mondta, hogy az képtelen lenne az adott probléma megoldására, csak annyit, hogy ami a Google gépének 3 percig tart, azt a Summit 10 ezer éven át számolná. Szóval ha nagyon szőrözni akarunk, akkor tehát sikerülne egy hagyományos számítógépnek is, csak emberi léptékkel felfoghatatlanul lassan. Mindegy, hagyjuk ezt nagyvonalúan, de az már jobban árnyalja az összképet, hogy az IBM szerint ez a tízezer éves jóslat nagyon távol áll a valóságtól. Szerintük a Summit nagyjából két és fél nap alatt végezni a vázolt feladattal.
Mindenesetre persze így is tény, hogy 3 perc áll szemben 3600-zal, ami még mindig irtózatos nagy ugrás, szóval akár kvantumfölénynek nevezzük az eredményt, akár csak annyinak, hogy egy kvantumszámítógép 1200-szor gyorsabb a világ eddigi legerősebb számítógépénél, még ez az állítás is elég szép.
Viszont akkor menjünk szépen vissza oda, hogy mi számít általános győzelemnek? Az autó jobb, mint a bicikli? Igen, mondhatnánk kapásból, de jobban belegondolva azért ez sem igaz. Hegyi ösvényen, 20 centis pallón, vagy épp olyan környezetben, ahol nincs üzemanyag, máris a bringa győz, és ilyesféle módon kell a kantumszámítógépek és a hagyományos számítógépek összehasonlítását is elképzelni.
Egy kvantumszámítógép ugyanis működési elvét tekintve egyszerűen nem arra való, mint egy biteken alapuló megoldás. Utóbbival egy csomó dolgot meg tudunk valósítani, küldhetünk üzenetet, videótelefonálhatunk, bonyolult játékok 3D-s képét rajzolhatjuk ki a kijelzőre vagy egy VR szemüveg lencséire, a kvantumgép viszont inkább valószínűségszámításokra, tudományos szintű modellezési feladatokra való, és ha ezzel próbálnánk akár egy egyszerű összeadást elvégezni, akár hibára is futhat azért, mert nem erre tervezték.
Hogy megértsük, milyen feladatokra szakosodhat egy kvantumszámítógép, a legtöbben az úgynevezett traveling salesman problémát emlegetik. Képzeljünk el egy klasszikus porszívóügynököt, aki az utakat járja a portékájával, és személyesen akarja felkeresni a leendő ügyfeleit. A feladat szerint az ügynöknek megadott számú várost kell érintenie, majd visszatérnie a kezdőpontba. Ehhez rendelkezésre áll az összes város egymástól számított távolsága, neki az a dolga, hogy kiszámolja azt a legoptimálisabb útvonalat, ahogy a legrövidebb idő alatt vagy a legköltséghatékonyabban teheti meg az utat. Ha a teljesítendő halmaz mondjuk Budapest-Miskolc-Szeged-Pécs, még egész könnyű a dolgunk, akár számítógép nélkül is kiokoskodhatjuk a legjobb megoldást, de 20 városnál máris 10 a 16. hatványon a lehetséges kombinációk száma.
Ha elvonatkoztatunk a porszívóügynöktől, sokféle olyan tudományos vagy épp üzleti probléma létezik, amely hasonló alapokon, de még bonyolultabb alapszituációkra épül, ha pedig megjelenik a képletben egy vagy több valószínűségszámítási elem, akkor már elmondható, hogy a hagyományos számítógépek csak lassan, vért (pontosabban processzorpasztát) izzadva tudják ezeket megoldani - egy kvantumszámítógépnek viszont pontosan ez a kedvenc terepe.
Na de szóval akkor most mi van?
Oké, tényleg sok volt a szövevény: onnan indultunk, hogy tehát a mostani bejelentés folyományaként kezdhetjük-e kukázni a meglévő gépeinket, telefonjainkat, és az IBM is kezdheti-e nagykalapáccsal és tűzoltószekercével apró darabokra csépelni a Summitot.
A válasz egyértelmű nem. A kvantumszámítógépek megjelenése egy hatalmas lépcsőfok a számítástechnikában, de nem az általánosan használt számítógépek és eszközök rovására. Egyrészt még nagyon gyerekcipőben jár az egész terület - míg szuperszámítógépeket kis túlzással bárki össze tud rakni, akinek van egy rakásnyi pénze, pár hűtött szerverterme és megfelelő szakértelme, a Google kvantumgépe inkább olyan, mint egy hihetetlenül érzékeny prototípus, ami a legkisebb rezzenésre elromlik.
Mindez fizikailag úgy néz ki, hogy a kvantumcsövek halmazát magába foglaló 53 qbites gép egy teljesen izolált kamrában működik, állandó vákuum, mínusz 273 Celsius fok, valamint teljes sötétség mellett. A qbiteket ugyanis a lehető legkisebb olyan inger is megzavarhatja, amely valamilyen külső forrásból érkezik, ilyenkor a qbitek könnyen visszabillennek az általunk is megszokott 1 vagy 0 értékre.
A másik ok, amiért a kvantumszámítógépek nem váltják le teljesen a jelenlegi generációt, a feljebb vázolt "másra való" alapállásban keresendő. Épp ezért a nyilvánosságra hozott eredmények utáni első fellelkesülést követően a józanabbul gondolkodó szakértők úgy vélik, a kvantumgépek szép lassan "betagozódnak" majd a hagyományos számítógépek mellé, és a technológia általánossá válásával egyenes arányban átvesznek olyan feladatokat, amelyeket könnyebben vagy gyorsabban megoldanak, de minden más feladatot továbbra is PC-s és mobilos processzorok és hasonló alkatrészek végeznek majd a gépeinkben, telefonjainkban, óráinkban és egy csomó egyéb helyen. Szóval senki se kezdje feltenni a számítógépét az apróhirdetési oldalakra, és aki adatközpontokkal, szuperszámítógépekkel dolgozik, szintén nem fog jövő héten már biciklis futárként dolgozni. Jött egy új technológia, amely szép lassan helyet kap a jelenlegi mellett, de semmiképp sem helyette.
