A köznapi értelemben működő kvantumszámítógép megépítésével alapvető matematikai problémák vannak – állítja a Quanta Magazine interjújában Gil Kalai, a Yale és Jeruzsálemi Héber Egyetem matematikaprofesszora. A tudományága legrangosabb elismeréseit (Pólya-, Erdős- és Fulkerson-díj) magáénak tudó, 2016-ban a Magyar Tudományos Akadémia tiszteleti tagjának választott elméleti matematikus szerint ha sikerülne is több száz qubittel operáló gépeket létrehozni, azok nem váltanák valóra a mostani várakozásokat.

Sérülékeny szuperpozíció

A kvantum-számítástechnika kvantumbitekkel, másnéven qubitekkel operál. Míg a hagyományos bitek vagy 0 vagy 1 értéket vehetnek fel, a qubitek képesek szuperpozícióba kerülni, ami azt jelenti, hogy mindkét állapotban léteznek egyszerre. Minél több ilyen qubitből áll egy rendszer, annál többféle kombináció lehetséges párhuzamosan, és annál komplexebb problémákat lehet rövid idő alatt megoldani.

A szupermasina viszont csak akkor építhető ily módon, ha a qubitek együttműködnek, vagyis kapcsolódnak egymáshoz. Ez az a bizonyos kvantum-összefonódás (quantum entanglement). Az egyik fő kihívás a használható végeredmény kinyerése a rendszerből a feladatok elvégzése után. A párhuzamosságok ugyanis csak a kvantumfizika szintjén működnek, méréskor a qubitek szuperpozíciója összeomlik, és egyetlen klasszikus állapotot vesznek fel. A másik nehézség, hogy a rendszer annyira érzékeny, hogy az összeomlást a legapróbb külső hatás is kiválthatja. Mint ahogy írtunk róla, a tavaly novemberi bejelentése szerint 50 qubites gépet építő IBM is csak legfeljebb 90 mikroszekundum, azaz milliomod másodperc erejéig tudott stabil rendszert produkálni. Ezt a limitet versenytársai, a kvantiumtechnológiában élen járó Google, az Intel vagy a San Franciscó-i Rigetti nevű start-up sem tudták meghaladni.

A „kvantumzaj” javíthatatlansága

Kalai szerint nem az instabilitás és a sérülékenység jelenti a legnagyobb gondot, hanem az úgynevezett zajosság. „A zaj alatt a számítási folyamat hibáit értem, a zajérzékenység pedig annak a mértéke, hogy mekkora a valószínűsége annak, hogy ezek a hibák hatással lesznek a folyamat kimenetelére. A kvantumszámítás a természet más jelenségeihez hasonlóan tele van ingadozásokkal, véletlen hibákkal, vagyis zajjal. Amikor egy kvantumszámítógép végrehajt egy műveletet, a qubit minden számítógépes ciklusban óhatatlanul sérül” – fogalmaz a matematikus. Ez ugyan hibajavító mechanizmusok beépítésével javítható, csakhogy ennek kidolgozása 100 vagy akár 500 qubites kapacitást is igényelhet. Kalai 2016-ban publikált 25 oldalas kalkulációja szerint azonban a hadra fogott qubitek számával exponenciálisan nő a hibaszint is. Magyarán nem érhető el a Kínától az USA-ig dollár-, de Magyarországon is forintmilliárdos kutatási összegek bevetésével elérni kívánt úgynevezett kvantumfölény (quantum supremacy). Az utóbbi azt jelenti, hogy a kvantumeszközök a jelenlegi csúcskategóriás klasszikus komputerek lehetőségeit meghaladva, hibakorrigálás nélkül képesek lennének jól megfogalmazott számítási feladatokat elvégezni.

Kell-e nekünk kvamtumszámítógép?

A számítástudomány rangos Knuth-díjjával elismert Oded Goldreich, a Weizmann Intézet, a szintén díjazott Leonyid Levin, a Boston University, valamint Boaz Barak, a Harvard számítástudományprofeszora is a kvantumszámítógép-szkeptikusok táborát erősíti. Utóbbi tavaly novemberben terjedelmes esszét is szentelt a problémakörnek. Kalaival szemben Barak nem egyetlen matematikai problémára fűzte fel kritikáját, hanem azt firtatta, hogy a kvantumvilág megértésén és modellezésén túl érdemes-e egyáltalán dollármilliárdokat invesztálni a stabil és biztosan kalibrálható kvantum-számítástechnika kifejlesztésébe. Összegzése szerint az eredmény legalábbis kétséges. A szuperpozíciók okán a mainál nagyságrendekkel több, párhuzamos számítási folyamatot feltételező kvantumkapacitás kihasználása ugyanis nem tisztázott – a fejlesztők által emlegetett kriptográfiai és faktorálási előnyöket hosszabb távon okafogyottá teheti a klasszikus, de már nano-áramkörök irányában fejlődő számítástechnika is.

Várjuk ki a végét...

„A kritikus kérdés, hogy tényleg exponenciálisan növekszik-e a hiba eshetősége a qubitek számával. Ha ez tényleg igaz, amit én nem tudok megítélni, akkor hiába építünk ki párhuzamos rendszereket az esetleges hibák csökkentésére, mert eljutunk egy határig, amikor nagyszámú qubit alkalmazása már nem csökkenti le a hibát a kívánt mértékűre” – kommentálta a Kalai-interjút Rockenbauer Antal fizikus professzor.

A Qubit állandó szerzője szerint sok tőkét és munkát fektetnek be kvantumszámítógépek kifejlesztésébe, így jelentős érdekeket sért, ha a kvantumszámítógép valóban zsákutcának bizonyul. Úgy véli, éppen a személyes érdekeltség miatt kérdéses, hogy lehet-e számítani objektív és megalapozott véleményekre. Kalai egyébként maga is úgy fogalmaz az interjú záromondatában, hogy érdemes megvárni a vonatkozó kutatások első, valódi eredményeit.