IBM: új korszak kezdődőtt a kvantum-számítástechnikában

Egy kvantumszámítógép jobb válaszokat talált egy fizikai problémára, mint egy hagyományos szuperszámítógép. Az IBM stratégiájának célja, hogy a hibák mérséklésével, nem pedig a kijavításukkal akarnak pontos eredményeket kapni.

A kvantumszámítógépek teljesítménye ma még alacsony. Míg egy okostelefonokban lévő chip több milliárd tranzisztort tartalmaz, addig a legerősebb kvantumszámítógép néhány száz tranzisztor kvantumegyenértékével bír. Emellett megbízhatatlanok is: ha ugyanazt a számítást futtatjuk le újra és újra nagy valószínűséggel minden alkalommal más választ fognak kiírni. Mivel azonban a kvantumszámítógépek eredendően képesek egyszerre sok lehetőséget figyelembe venni, nem kell túl erősnek lenniük ahhoz, hogy bizonyos kényes problémákkal megbirkózzanak. Az IBM kutatói most bejelentették, hogy kidolgoztak egy módszert a megbízhatatlanság olyan módon történő kezelésére, amely megbízható, hasznos válaszokhoz vezet.

A Google kutatói 2019-ben arról számoltak be, hogy elérték a "kvantum szupremáciát", azaz egy kvantumszámítógép sokkal gyorsabban elvégzett egy feladatot, mint egy hagyományos számítógép. Ehhez képest az IBM kutatói egy szerényebb, de sokkal hasznosabb dolgot értek el. "Beléptünk a kvantumszámításnak abba a szakaszába, amelyet én hasznosságnak nevezek" - mondta Jay Gambetta, az IBM Quantum alelnöke. Az IBM tudósokból álló csapat a Nature folyóiratban ismertette eredményeit.


Jay Gambetta kezében egy 433 qubites IBM Osprey processzoral
A mai számítógépeket digitálisnak vagy klasszikusnak nevezik, mert információs bitekkel dolgoznak. 1 vagy 0, be vagy ki vannak kapcsolva. A kvantumszámítógépek a számításokat kvantumbiteken, azaz qubiteken végzik, amelyek az információ összetettebb állapotát rögzítik. Mindenki ismeri Erwin Schrödinger fizikus macskáját, gondolatkísérlete szerint az lehet egyszerre halott és élő kvantumállapotban. Ugyanígy egy qubit egyszerre lehet 1 és 0 is. Ez lehetővé teszi, hogy a kvantumszámítógépek sok számítást egy menetben végezzenek el, míg a digitális számítógépeknek minden egyes számítást külön-külön kell elvégezniük. A számítások felgyorsításával a kvantumszámítógépek nagy és összetett problémákat oldhatnak meg olyan területeken, mint a kémia vagy az anyagtudomány.

De a kvantumszámítógépeknek lehet egy sötétebb oldaluk is, mivel algoritmusaik révén veszélyeztethetik a magánéletet, a jelszavak kitalálása és a titkosított kommunikáció áttörése számukra gyerekjáték. A Google kutatói 2019-ben azt közölték, hogy kvantumszámítógépük 3 perc 20 másodperc alatt végzett el egy olyan számítást, amely egy hagyományos szuperszámítógépen körülbelül 10 000 évig tartana. Más kutatók szerint viszont a felvetett probléma mesterkélt volt, és a Google egy olyan dolgot oldott meg, amely gyakorlati szempontból érdektelen.

Az IBM kutatói az új tanulmányban egy másik, a fizikusokat sokkal inkább érdeklő feladatot hajtottak végre. Egy 127 qubittal rendelkező kvantumprocesszort használtak arra, hogy atomi méretű rúdmágnesek - amelyek elég aprók ahhoz, hogy a kvantummechanika szabályai szerint működjenek - mágneses mezőben való viselkedését szimulálják. Ezt az Ising-modellként ismert egyszerű rendszert gyakran használják a mágnesesség tanulmányozására. A probléma nagyon bonyolult, a pontos választ még a legnagyobb, leggyorsabb szuperszámítógépeken sem lehet kiszámítani. A kvantumszámítógépen a számítás kevesebb, mint egy ezredmásodperc alatt készült el. Minden egyes kvantumszámítás megbízhatatlan volt - a kvantumzaj ingadozásai óhatatlanul hibákat okoznak -, de mivel azok nagyon gyorsan lefutottak, így többször is el lehetett végezni.

Ráadásul a számításokhoz szándékosan további zajokat adtak hozzá, ami még megbízhatatlanabbá tette a válaszokat. A zaj mennyiségének változtatásával azonban a kutatók ki tudták deríteni a zaj sajátos jellemzőit és hatásait a számítás minden egyes lépésénél. "Nagyon pontosan szabályozhatjuk a zajt, majd újra lefuttathatjuk ugyanazt a számítást" - mondta Abhinav Kandala, az IBM Quantum demonstrációs vezetője, a Nature cikk egyik szerzője. "És ha már megvan az eredmény ezekre a különböző zajszintekre, akkor vissza tudjuk extrapolálni, hogy mi lett volna az eredmény zaj nélkül." Lényegében a kutatók képesek voltak kivonni a zaj hatását a megbízhatatlan kvantumszámításokból. Ezt a folyamatot hibamérséklésnek nevezik.

A számítógép összesen 600 000-szer végezte el a számítást, és így megkapták a rúdmágnesek által létrehozott teljes mágnesezettségre vonatkozó választ. De mennyire jó ez a válasz? Az IBM csapata a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem fizikusaihoz fordult segítségért. Bár a többtucatnyi rúdmágnest tartalmazó Ising-modell túl nagy volt, és túl sok lehetséges konfigurációval rendelkezik ahhoz, hogy egy hagyományos számítógép meg tudja oldani, a klasszikus algoritmusok közelítő válaszokat tudnak adni. Az ehhez használt technika hasonló ahhoz, ahogyan a JPEG-képek tömörítése a kevésbé fontos adatokat kidobja, hogy csökkentse a fájl méretét, miközben a kép legtöbb részletét megőrzi.


Egy kvantumszámítógép belsejének modellje
Az Ising-modell bizonyos konfigurációi pontosan megoldhatók. Ezeknél az egyszerűbb példáknál a klasszikus és a kvantum algoritmusok által adott válaszok megegyeztek. A bonyolultabb, de megoldható példák esetében a kvantum és a klasszikus algoritmus eltérő válaszokat adott, és a kvantumos volt a helyes. Így más esetekben, ahol a kvantum- és a klasszikus számítások eltértek egymástól, és nem ismert a pontos megoldás "okkal feltételezhető, hogy a kvantumos eredmény pontosabb" - mondta Sajant Anand, a Berkeley végzős hallgatója, aki a klasszikus közelítésekkel kapcsolatos munka nagy részét végezte.

Mindazonáltal le kell szögezni, hogy nem egyértelmű, hogy az Ising-modell esetében a kvantumszámítás vitathatatlanul győztes a klasszikus technikákkal szemben. Hosszútávon a kvantumtudósok arra számítanak, hogy egy másik megközelítés, a hibajavítás képes lesz a számítási hibák felderítésére és kijavítására, és ez megnyitja az utat a kvantumszámítógépek előtt, hogy számos felhasználási területet meghódítsanak. A hibajavítás a hagyományos számítógépeknél és az adatátvitelben már régóta használt módszer, a kvantumszámítógépek esetében azonban valószínűleg még évekig várat magára, mivel ehhez sokkal több qubit feldolgozására képes, erősebb processzorokra van szükség.

Az IBM tudósai úgy vélik, hogy a hibakiküszöbölés egy átmeneti megoldás, amelyet már most is lehet használni az Ising-modellen túli, még összetettebb problémákra. "Ez egy jó kiindulópont. Most az a kérdés, hogyan lehet ezt általánosítani és érdekesebb természettudományos problémákat megoldani." - mondta Jay Gambetta, az IBM kvantumtechnológiai erőfeszítéseiért felelős vezetője. Ezek közé tartozhat az egzotikus anyagok tulajdonságainak megismerése, a gyógyszerkutatás felgyorsítása és a fúziós reakciók modellezése. Az IBM várhatóan még idén bemutatja eddigi legerősebb processzorát, az 1121 qubites Condor chipet, de egy 4158 qubittal rendelkező chip is tervben van már. A cél az, hogy 2033-ra elérjék a 100 000 qubites, teljesen hibajavított algoritmusok elvégzésére képes gépek megépítését, de addig még a kutatóknak jelentős mérnöki problémákat kell megoldaniuk.