A kvantum-számítástechnika azzal kecsegtet, hogy egy szép napon megoldja majd az emberiség előtt álló legbonyolultabb feladatokat, amelyekre ma még nem, vagy csupán korlátozott mértékben vagyunk képesek. A mesterséges intelligencia ipara, a mezőgazdaság, az egészségügy, az energiaszektor, a klímaváltozás az anyagtudományok – és még sokáig lehetne sorolni, hány különböző terület vár a „kvantum erejére”.
◼︎ Lázas kutatómunka és kitörni készülő tech-vulkán a felszín alatt
A kvantum-számítástechnika jelenlegi állapotáról, a különböző felhasználási területekről, erősségekről és gyengeségekről beszélgettünk egy vérbeli profi vezető pénzügyi elemzővel és egy nemzetközileg elismert szilárdtestfizikussal. A maguk területein mindketten a legmagasabb szinten jegyzett szakértők, akikre odafigyel a tágabb értelemben vett nagyközönség is, így örömmel kérdeztük őket, és ők készségesen meséltek arról a jövőről, amely bármelyik pillanatban betoppanhat.
Mi is az a kvantum-számítástechnika?
Ma a kvantum-számítástechnika ott tart, ahol az ENIAC számítógép az 1940-es évek végén, vagyis a kvantumszámítógépek még nagyon kezdetlegesek. Emiatt még korlátozott a valódi felhasználhatóságuk, „ezek a gépek ma még inkább csak a reményt testesítik meg, hogy egy nap majd nagyon bonyolult problémákat sokkal gyorsabban oldjanak meg, mint egy hagyományos számítógép”, világította meg Gali Ádám, a HUN-REN Magyar Kutatási Hálózat Wigner Fizikai Kutatóközpontja Szilárdtestfizikai és Optikai Intézetének igazgatóhelyettese, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) egyetemi tanára. Az ilyen feladatokat (matematikai nyelven megfogalmazva) időben exponenciálisan növekvő problémáknak hívjuk, és ezeket nagyon nehéz megoldani a hagyományos számítástechnika segítségével.
Kvantumhullámok
A pénzügyi szolgáltatások iparága mindig is arra törekedett, hogy kihasználja az új technológiákat a jövedelmezőség javítására. Ez a szemlélet vezette például Henry Goldman bankárt, a Goldman Sachs társalapítóját is, aki a kvantummechanikai kutatások közismerten bőkezű patrónusa volt. Az új technológiák adaptációja és a pénzügyi szolgáltatások fejlődése a digitális jövő felé vezető fázisokon követhető nyomon. „Az első hullám a mobileszközök használatára összpontosított az ügyfelek megszerzése és megtartása érdekében. Ezt követte az új üzleti modellek feltárása az új adatforrások kihasználása és a technológiai (fintech-) szolgáltatók felől jövő fenyegetések elhárítása érdekében”, számolt be róla Vágó Attila, a Concorde Értékpapír Zrt. vezető elemző munkatársa.
A jelenlegi harmadik hullámot számos kihívás vezérli, beleértve a bevételek maximalizálását, a költségmegtakarítási kényszert, a szaporodó kibertámadásokkal szembeni hatékony védelem megteremtését, a gyakori, és nem egyszer a jövedelmezőség rovására menő szabályozási változásokhoz való rugalmas alkalmazkodást, valamint (biztosítóknál) a nem tervezett kockázatok, például természeti katasztrófák vagy piaci összeomlás miatt felmerülő addicionális tőkeigények kezelését, ismertette.
„A kvantumszámítógépek korának beköszöntét nagyon nehéz akár évtizedre pontosan megjósolni” vélekedett Gali Ádám. „Kezdetleges formában ma is léteznek, már vásárolni is lehet ilyeneket, szobahőmérsékleten is működnek, lehet velük otthon játszani, de ezek egyelőre csak játékok.”
A pénzügyi elemzők már nagyon várják
A pénzügyi szolgáltatások (vagyonkezelés, befektetési banki tevékenység, a lakossági és vállalati banki tevékenység, a kockázatkezelés és a biztosítások) területén számos, roppant időigényes számítási probléma van, amelyek megkövetelik a pontosságot. Ezeket alapvetően három nagyobb osztályba lehet sorolni.
Optimalizálási problémák Ezek időben exponenciálisak, ami korlátozza megoldhatóságukat egy adott időkereten belül. A kvantumszámítógépek holisztikus problémamegoldó megközelítése felveti annak lehetőségét, hogy kevesebb lépésben jobb megoldásokat találjunk.
A gépi tanulással összefüggő problémák Itt összetett adatstruktúrákkal kell dolgozni, amelyek akadályozzák az osztályozás vagy az előrejelzés pontosságát. A kvantumszámítógépek többdimenziós adatmodellező képessége viszont lehetővé teheti, hogy egyre pontosabb mintákat találjunk, amelyek rövidebb idő alatt vezethetnek megoldáshoz.
Szimulációs problémák Ezeknél ugyancsak van időkorlát a megfelelő forgatókönyv-teszt elvégzésére és a legjobb lehetséges megoldás megtalálásához. „A kvantumszámítógépeket kihasználó hatékony mintavételi módszerek kevesebb mintát igényelhetnek a pontosabb megoldás gyorsabb eléréséhez”, foglalta össze Vágó Attila.
Kvantumszenzorok és a nemzetbiztonság
„A kvantum jellegű felhasználáshoz kötődnek a különböző kvantumszenzorok”, avatott be a részletekbe Gali Ádám. „Ezeket a szenzorokat jól ismerem, hiszen benne voltam egy olyan európai uniós konzorciumban, amelyben a Robert Bosch és a THALES vállalat is részt vett. A projekt a kvantumtechnológián alapuló szenzorok bevezetésére épült az elektromos autók vezérlésébe és navigációjába, valamint radarok fejlesztésébe”, ismertette. „A legrövidebb idő, amit el tudok képzelni a kvantumkorszakig, az tíz-tizenöt év. Leszámítva természetesen a nemzetbiztonsági fejlesztéseket, amelyek titokban zajlanak. Kiemelten fontosnak tartom a nemzetbiztonsági aspektust”, mondta.
| Magyar kvantum ki-kicsoda
Itthon a már említett KNL fogja össze a vezető kutatócsoportokat. A BME Fizikai Intézetében a kísérletek alapkutatási szinten folynak, Makk Péter kutató nemrég nyerte el az Európai Kutatási Tanács program (ERC) rangos „Consolidator” grantjét, melyet csak a legkiválóbb kutatók kapnak meg. Simon Ferenc pedig új kvantumtárolók kialakításán dolgozik. Csonka Szabolcs vezetésével folyik az új típusú kvantumbitek kifejlesztése, az elméleti kvantumszámítás terén pedig Pályi András és Asbóth János kutatnak. A villamosmérnöki karon Imre Sándor és Bacsárdi László foglalkozik a kvantumkommunikáció gyakorlati kiépítésével Kis Zsolttal együttműködésben. Az ELTE Informatikai karán Kozsik Tamás felügyeletével olyan kvantumalgoritmus-fordítóprogramokkal dolgoznak, amelyek szabványt teremthetnek a kvantumszimulációkhoz használatos algoritmusok területén. A Wigner Fizikai Kutatóközpontban két kísérleti laborban a kvantumszenzorok, a kvantumkommunikáció és a kvantum-számítástechnika területein folyik a munka. Az egyiket Domokos Péter vezeti, a másikat pedig Gali Ádám, míg Zimborás Zoltán és Kiss Tamás a kvantumalgoritmusokat kutatják. |
Itt arról van szó, hogy a kvantumszámítógépek olyan algoritmust tudnak majd futtatni, amellyel fel lehet törni a jelenleg bankoláshoz használt biztonsági kódokat. Az online bankolás ma erősen titkosított csatornákat használ az adatok küldésére, ám éppen ez a titkosítás válik könnyedén feltörhetővé kvantumszámítógéppel. „A biztonsági szektor, amelyet főleg az államok, illetve a legnagyobb bankok kezelnek, az úgynevezett kvantum-kulcselosztáson alapuló biztonsági megoldásokat igényli, tehát a kvantumkommunikációt sokkal hamarabb bevezetik majd, mivel ennek muszáj már működni, mire a kvantumszámítógépek is megérkeznek”, értékelte a helyzetet Gali Ádám fizikus.
Portfóliókezelés
Kanyarodjunk most vissza Vágó Attilával a pénzügyek és befektetések izgalmas világába. „A kvantumszámítógépek használata a kockázatkezelés és a befektetési portfóliók optimalizálásának területén idővel minden bizonnyal kulcsfontosságúvá és megkerülhetetlenné válik, mivel a jelenlegi szuperszámítógépekhez képest négyzetes, kvadratikus gyorsulásra képesek, így ugyanannyi idő alatt pontosabban tudják majd az említett bonyolult optimalizációs feladatokat megoldani, mint a mai szuperszámítógépeken futtatható klasszikus heurisztikus algoritmusok”, világított rá Vágó Attila.
Egy nagy elemszámú befektetési portfólió optimalizálása során egyszerűen túl sok lehetőség van a számítógép számára a leghatékonyabb portfólió kiválasztásához a legmagasabb hozam, a legkisebb kockázatvállalás és tőkekorlát mellett, ami nyilvánvalóan rengeteg számítási időt igényel, akár több napot is. Egy százelemű portfólió esetén a lehetséges elempárosítások száma például kettő a századikon, ami igen nagy (10-es számrendszerben 31 számjegyű) szám.
Így ahelyett, hogy a befektetési portfólió kialakításához választható eszközök minden egyes variációját lefuttatnánk a klasszikus számítógépeken elérhető úgynevezett Monte Carlo- (MC-) algoritmusok segítségével, a kvantumszámítógépeken futó kvantumalgoritmusok más megközelítést alkalmaznak a többdimenziós tereken keresztül. A számításokhoz szükséges idő így négyzetesen rövidül, az idő pedig, mint tudjuk, pénz. „Aki az összetett pénzügyi eszközöket nagyobb pontossággal tudja árazni, versenyelőnyre tehet szert”, emelte ki Vágó Attila.
Kvantumpolitika
Gali Ádám a kvantumkommunikációról szólva beszámolt arról is, hogy Európában is elindult egy olyan új infrastruktúra kiépítése, amelyen keresztül kvantumkommunikációs jeleket lehet továbbítani és feldolgozni. Ezeket a jeleket egy kvantumszámítógép sem tudná feltörni. Az igazán fejlett országok mind elhatározták, hogy saját maguk is építenek kvantumszámítógépet, ami nem csak tudományos szempontból fontos.
Az érintettek között olyan viszonylag kis méretű, de technológiailag rendkívül fejlett, a kutatás-fejlesztésben elöljáró ország is található, mint Izrael, de említhetnénk Dániát is, ahol dán és egyéb magáncégek 200 millió euró értékben hoztak létre egy konzorciumot. A cégcsoportnak öt éven belül fel kell mutatnia, hogy melyik lesz a dán kvantumszámítógépet kitermelő platform, majd ha ez sikerült, meg is kell építeni a gépet. „Nem tartom véletlennek, hogy még a viszonylag kisebb országok is nagy erőfeszítéseket tesznek azért, hogy önállóan tudják ezt megvalósítani”, vélekedett Gali Attila.
Fent van a magyar radaron is
„A csapatommal tagjai vagyunk a Magyarországon működő Kvantuminformatika Nemzeti Laboratóriumnak (KNL-nek), amely összefogja ezeket a kutatásokat. Ez alatt az ernyő alatt működik egy kutatócsoport, amely megmutatta, hogy a kvantumalgoritmusok segítségével a vasúti menetrendet sokkal jobban lehetne optimalizálni, mint bármi mással”, mondta Gali Ádám, majd így kitért rá, hogy tipikus probléma, ha például késik egy vonat, ami miatt át kell konfigurálni a többi érkezését és indulását. A feladat megfogalmazása és leírása nagyon egyszerű, bárki könnyedén megérti. A matematikai megoldások fejlesztése során viszont kiderült, hogy több bonyolult hálózatról van szó, amelyek egymáshoz kapcsolódnak. „Ennek matematikai megoldása nagyon nehéz, kvantumalgoritmus segítségével viszont gyorsan meg lehet oldani, a szállítás pedig kritikus szektor, alapinfrastruktúra”, hangsúlyozta.
A hazánkban is folyó kvantumkommunikációs fejlesztések infrastruktúrája ugyanolyan kommunikációs szálakat alkalmaz, mint a hagyományos internetes összeköttetésnél, de nem lehet hagyományos erősítőket használni hozzá. Új eszközökre lesz szükség, hogy a jel eljusson A-ból B pontba. Ennek az infrastruktúrája már épül, először Ausztria irányába. Budapest talán majd egy csomópont (hub) lehet, amely majd Románia, Szerbia vagy Horvátország irányába tud továbbküldeni jeleket.
Gali Ádám szilárdtest alapú kutatásokon dolgozik, amelyeknél kristályrácsokban hoznak létre olyan, atomi jellegű változtatásokat, amelyek megvalósítják a kvantumbitet. A legnagyobb kihívás a sok kvantumbit létrehozása, a skálázhatóság. Dolgoznak például gyémánttal: az atomi jellegű hibák kihasználásával hoznak létre kvantumbit-állapotokat. Ez a megoldás szobahőmérsékleten is működőképes.
