Japán kutatók a gyakran csak meghatározott alkalmazásokra korlátozódó korábbi célgépeken túlmutató, általános rendeltetésű optikai kvantumszámítógépet fejlesztettek. A rendszer a kvantumszámítások „zajos”, átmeneti korszakából a gyakorlati alkalmazásokhoz vezető út fontos állomása lehet. Miért hasznosak a fotonok, hogyan segítik a szélesebb körű telepítéshez elengedhetetlen méretezhetőséget, a kvantumbitek számának növelését, összességében pedig mitől különleges az új gép?
◼︎ Kvantumszámítógép fotonokkal
A legnagyobb japán kutatóintézet, a Riken Kvantumszámítási Központja és a világ negyedik legnagyobb telekommunikációs cége, a Nippon Telegraph and Telephone Corp. (NTT) januárban jelentette be, hogy általános rendeltetésű optikai kvantumszámítógépet fejlesztett ki. Nem sokkal később jött egy másik bejelentés is: a szoftvereket és szolgáltatásokat kínáló Fixstars kvantum-felhőszámítási platformja, az Amplify létrehozta a géppel használható első, természetesen általános célú alkalmazásokat. (A Riken a világ vezető szuperszámítógép-fejlesztői közé tartozik: az általuk épített és üzemeltetett Fugaku rendszer 2020 júniusától 2022 novemberéig a világ legnagyobb teljesítményű – hagyományos – szuperszámítógépe volt; teljesítményét jól mutatja, hogy még tavaly novemberben is a 6. volt a listán.)
A száz analóg inputtal rendelkező, rugalmasan programozható új kvantumszámítógép szupravezető elektronikus áramkörök vagy ioncsapda helyett a fény részecskéit, a fotonokat használja. Ez azért komoly előny, mert nem kell hozzá hűtőrendszer, szobahőmérséklethez közeli környezetben működik, tehát könnyebben kiépíthető és méretezhető a rendszer. A fotonok jelentős interferencia nélkül képesek megtenni nagy távolságokat, így ideálisak a kvantumkommunikációhoz és -hálózatépítéshez. További előnyük, hogy kevésbé érzékenyek bizonyos típusú zajokra és környezeti hatásokra, az úgynevezett dekoherenciára, azaz egyes kvantumszámításokban jóval megbízhatóbbak.
Célgép helyett univerzális kvantumszámítógép
A fényalapú technológiával más gyártók, így a Google és az IBM is próbálkoznak. A Riken azonban komoly pluszt adott az eddigi megoldásokhoz. Optikai kvantumszámítógépek eddig is rendelkezésre álltak, csakhogy ezek mindegyike célgép (például bozon-mintavételre szolgálnak), ráadásul kisméretűek is, nagyjából tíz qubitesek (kvantumbitesek). A céleszközökön túlmutató, általános rendeltetésű gépek fejlesztése évek óta komoly célkitűzése számos fejlesztőnek; a jelek szerint ez most megvalósult, és a Riken kvantumkomputerének számítási teljesítménye ezer qubitnek felel meg.
Az optikai kvantumszámítógépekben a fotonok működnek qubitként. A hagyományos számítógépek bitjeihez hasonlóan két lehetséges állapottal, horizontális és vertikális polarizációval rendelkeznek, viszont a qubitek mintájára, a két állapot szuperpozíciójában, valahol a vertikális és a horizontális között is létezhetnek.
| Japán kvantumtechnológia
Az utóbbi években a kelet-ázsiai szigetország hardver- és szoftverszinten egyaránt jelentős előrelépéseket tett a kvantumtechnológiában. Az állami intézmények mellett egyetemek és nagyvállalatok is aktívak ezen a téren; például a Fujitsu és a Hitachi is kemény összegeket fektet a technológiába, hogy felvegyék a tempót az amerikai és kínai konkurensekkel. A nemzetközi együttműködésekben való folyamatos részvétellel szintén próbálják felgyorsítani a kvantumtechnológiák fejlődését. Helyi specifikum, hogy a fejlesztéseknél gyakrabban összpontosítanak gyakorlati alkalmazásokra, például ellátási láncok optimalizálására, gyógyszerkutatásra vagy pénzügyi modellezésre. Az optikai kvantumszámításokban a világ élenjárói közé tartoznak. A Tokió Egyetem és az NTT 2023-ban új típusú kvantumprocesszort mutatott be, más japán műhelyek integrált fotonikus áramkörökkel kísérleteznek. |
Ugyanakkor az új gép nem használ explicit módon qubiteket, inkább a fény folyamatosan változó és mérhető mennyiségeit (például intenzitását) használja fel. A fotonok különféle eszközökön, például rezonátorokon és fázisváltón átengedve, ugyanúgy összefonódhatnak és egyedi kvantummódban kapcsolhatók össze, mint a qubitek. Sok qubit (jelen esetben változó) összefonódásakor jön létre a klaszterállapotként ismert jelenség, az ebben az állapotban lévő részecskékkel végzett mérések pedig maguk a számítások.
Előnyök és megoldandó problémák
A Riken által 2021-ben kidolgozott, a világon csak néhány kutatóintézetben alkalmazott „folytonos változós” megközelítéssel óriási, más módokon kivitelezhetetlen klaszterállapotok alakíthatók ki. A szobahőmérséklet csökkenti a méretezhetőséget akadályozó instabilitást, így a praktikus rendszerek építésénél kulcstényező skálázhatóság többféleképpen is megoldható.
Annak ellenére, hogy bizonyos zajokra kevésbé érzékenyek, az ilyen elven működő gépek esetében is a zaj felhalmozódása, a kényes kvantumállapotokra negatív hatással lévő zavarok kezelése az egyik legfontosabb megoldandó kihívás. A kvantumállapot eleve instabil, és minden egyes számítási lépéssel nő, halmozódik a zaj. A fejlesztők szerint viszont a számítások megismétlésével és a zaj átlagolásával nincs szükség a hagyományos, de nehézkesebb kvantumhiba-javításra.
Gondot okozhat még a hatékony fotonforrások, detektorok és lineáris optikai alkatrészek létrehozása is. A nagyobb léptékű üzemi alkalmazáshoz kritikus jelentőségű ezeknek az akadályoknak a leküzdése.
Mit hozhat a jövő?
Mivel a tervek szerint a még valamikor ebben az évben elérhető gép felhőalapú rendszerként működik majd, távoli felhasználók is hozzáférhetnek. A kvantumszámítások fejlődését a Riken azzal is felgyorsíthatja, hogy új platformot biztosít a kísérletezéshez, algoritmusok fejlesztéséhez. Általános célú gépként a rendszer a kriptográfiától kezdve az optimalizálási problémák kezelésén át a kvantumszimulációkig a feladatok széles skálájával lesz képes megbirkózni.
A fejlesztésből számos iparág és üzleti szektor profitálhat. A kvantumszimuláció gyógyszeripari és energetikai cégeknek segíthet új gyógyszerek tervezésében, anyagok felfedezésében. Az optimalizálási lehetőségeket kihasználva logisztikai vállalatok, kiskereskedők és pénzintézetek javíthatják hatékonyságukat. Az energiahálózat optimalizálásával, az akkumulátorok kialakításának javításával, megújuló energiaforrások modellezésével a közüzemi szolgáltatók és a kormányok az alternatív energiára történő átállást gyorsíthatják fel. A kockázatelemzés javításával, jobb piaci szimulációkkal, a pénzügyi rendszerek komplexebb modellezésével a technológiát bevezető bankok, befektetőcégek és biztosítók versenyelőnyre tehetnek szert. A kvantumkulcs-elosztásra kiválóan alkalmas fotonalapú rendszerrel kiberbiztonsági és távközlési vállalatok minden korábbinál biztonságosabb kommunikációs hálózatokat fejleszthetnek.
