Kvantumszámítógépek márpedig nincsenek
A cikk Vitályos Gábor véleményét tükrözi. A szerző az e-Szolgáltatások Minősége Szakosztály elnöke.
---------------
Látókörszélesítő, ismeretterjesztő konferenciát tartott az NJSZT a kvantuminformatikáról.
Megjegyzések, kiegészítések az elhangzottakhoz.
Ezt a dolgozatot azoknak írtam, akik nem fizikusok, de azért szeretnék valamennyire érteni ezt a divatos témát. Nehéz olvasmány, ha élvezni akarod, olvasd lassan. Engedd, hogy érlelődjön benned.
1)
Mindjárt az elején hallottuk, hogy a fejekben nagy zavar ebben a kérdésben: mert mi is a kvantuminformatika? (Ez viszont létezik, félre ne érts.)
Sajnos a két kutató sem mondott egyértelmű és a kívülálló számára könnyen érthető definíciót. Szavaikból azt szűrtem le, hogy ami ma kísérletileg megvalósítható, az nem kvantumszámítógép általában, hanem kvantumfizikai elveken működő processzor, röviden - most kreálom a szót - kvantum-koprocesszor.
A 80-as években, amikor az Intel 286-os és 386-os processzor volt a PC-ben a high-tech, lehetett kapni hozzájuk 287-es és 387-es un. aritmetikai (más szóval lebegőpontos) koprocesszort. Az alaplapon megvolt a helye, ha bedugtam, a lebegőpontos (valós, nagypontosságú) számítások gyorsabbak lettek. A ’86-os processzor, a CPU, a számítógép fődarabja kiküldte nekik a bemeneti számokat, és azok visszaküldték az eredményt. Ezek nélkül lassabban számolt a PC, mert a CPU, az operációs rendszerbeli szubrutinokat használva végezték el a számolást.
2)
Az a koprocesszor nem volt ‘számítógép’. A számítógép fogalmához (a képernyők elterjedése, kb. a 80-as évek eleje óta) hozzátartozik, hogy önállóan működtethető használati tárgy. A PC jórészt interaktív irodai feladatokra, más gépek szervernek, megint mások beépített folyamatvezérlőnek, stb. valók. Tartoznak hozzájuk programozó eszközök, többmagos CPU, különböző célú (ma GB-TB méretű) tárolók, fájlrendszer, hálózati protokollok, operációs rendszer, alkalmazások, kezelői felület, stb.
A koprocesszoroknak mindez nem volt. Behuzalozott aritmetikai műveletvégzők voltak, csak azt csinálták, nem lehetett programozni őket. Működni csak egy meglévő számítógép koprocesszoraként, kiegészítő alkatrészeként tudtak.
Nincs ez másképp a kvantumprocesszorokkal sem, és nem azért, mert még kísérleti stádiumban vannak.
3)
A kvantumszámítástechnika eszméjét a 80-as évek fizikai kutatásai hívták életre. A 'kvantumszámítógép' elnevezést R. Feynman – akkor már Nobel-díjas - elméleti fizikus konstruálta. Rosszul tette, zavart okozott vele. Fizikus volt és illetéktelenül belepiszkált az informatika szakma terminológiájába - ami minden szakmának a legérzékenyebb része -, az informatikusok pedig nem figyeltek oda.
Lesz valaha kvantumszámítógép? Olyan, amire az elnevezés illik? Gyakori kérdés. Nem hiszem. Ehhez meg kellene kvantum-technológiával valósítani az egész számítógépet az előbb felsorolt elemeivel, amelyekbe több millió mérnökévet tett bele a szakma az elmúlt félszáz év alatt - akkor lenne 'számítógép'. Ma néhány száz bitet lehet egy kvantumkoprocesszorral megvalósítani. Egész számítógépet belátható időn belül műszakilag is és üzletileg is lehetetlen. Meg fölösleges is: Amit a számítógéptől várunk, arra egy hatalmas iparág állt rá, a piacot lefedi, és elég jól kiszolgálja az igényeket. A nagy számításigényű dolgokhoz ne az egész számítógép legyen gyors, hanem csak egy, a feladatra optimalizált koprocesszor. Gondoljunk csak arra milyen nehezen halad az alternatív energiákra való áttérés, a villanyautó ügye.
4)
Akkor nem kell búcsút mondani a Neumann-elvnek, Neumann-architektúrának? Ezt is szokták kérdezni. Persze, hogy nem. Új elvek mindig jelennek meg, már eddig is voltak pl. a képfeldolgozásban mátrix-szerű, párhuzamosan dolgozó processzorok, amik szintén koprocesszorként működnek egy hagyományos, Neumann-elvű számítógépben, vagy mellette. A régi elvek sokáig életképesek még.
A kvantumprocesszor önmagában nem is elv: még nem alakult ki, hogy milyen feladatra milyen elvet, milyen architektúrát lesz érdemes megvalósítani velük. Akár Neumann-elvűt is, ha a kutatás arra veszi az irányt.
Tehát ránk maradt ez a félrevezető elnevezés. Rájár a szánk, leszokni nem fogunk már róla. Annyira nem, hogy a Wikipedia szerzői is így nevezik.
A fejekben lévő zavar jó része az ilyen értelmetlen elnevezésekből és téves fogalomalkotásokból ered.
5)
Azok a derék fizikusok, akik ezt kutatják, és akiknél ez az elnevezés tovább él, a laborukban talán valóban önálló használati tárgynak érzik a kvantumprocesszort: működtetik, dolgoznak vele, esetleg még számol is. Számítógépnek érzik. Azonban a külvilág, a felhasználók számára ez nem használati tárgy.
6)
Az emberek egy része érzéketlen a tudományos-műszaki dolgok fogalmi, terminológiai pontosságára. Ők leginkább a marketingesek, az üzletemberek. Dühbe jönnek:
De, hát nem mindegy, hogy kvantumszámítógép vagy kavantumkoprocesszor? Micsoda fölösleges, szőrszálhasogató, nagyképűsködő, időrabló, magakellető kötözködés már ez itt?
Barátaim!
Amíg csak egyetlen szóról van szó, persze, hogy mindegy. De a helyzet nem ilyen szimpla. Szakkifejezések és fogalmak egymásra épülő rendszerében élünk, ami a szakma fogalmi alapzatát alkotja. Egymás megértését teszi lehetővé - mind a tudományos életben, mind a kötetlen szakmai diskurzusokban.
Itt már nem mindegy.
A fogalmainknak ez a rendszere kultúrkincs. Közvagyon. Tisztelettel és gondosan kell vele bánni. Ha kezd leromlani, szétzilálódni, hamarosan a "nem tudjuk, hogy miről beszélünk" helyzetben találjuk magunkat.
7) A kvantumkriptográfia.
Szerepelt még ez is, félmondatos fölvetés szintjén. Nincs köze az eddig tárgyalt kvantuminformatikához. Csak nagyon röviden: olyan optikai hálózati megoldásokkal foglalkozik, ahova nem lehet észrevétlenül belehallgatózni, mert a fotonok állapotának kiolvasása megváltoztatja magukat a fotonokat.
Úgy mondják a fizikusok, hogy a mérés megváltoztatja magát a mérendő dolgot. Ez a jelenség kapcsolatos azzal a sci-fi-beli közhellyel, hogy a teleportáció bajos dolog, mert megsemmisül az eredeti példány, hiszen a lemásoláshoz pontosan ki kell olvasni minden atom állapotát. Megduplázni teleportációval ezért nem lehet a dolgokat. Ide tartozik az hírhedt eszme is, hogy valakinek az elméjét kiolvassuk a fejéből, és föltesszük az internetre. Ha sikerül a kiolvasás-összerakás, valamilyen szinten hasonlít majd rám, de én már nem leszek – nem vonzó gondolat.
A kvantumkriptográfia ötlete a 70-es évek elejéről származik, régebbi, mint a kvantuminformatika.
Azonban itt is van egy fura kanyar, egy kicsit elidőzünk most ezen is. A mérés megváltoztatja a mérendő dolgot – szokták mondani kiváltképp, amikor kvantumfizikáról van szó. Pedig ez nem kvantumfizikai effektus, még csak nem is fizikai, hanem az egész világra érvényes: a mérőeszköznek kisebbnek kell lennie a mérendő dolognál, hogy ne zavarja azt meg. Nem is fizikai, hanem matematikai, statisztikai törvényszerűség. Talán a statisztikus mechanika tudományához tartozik. Egészen odáig érvényes, hogy ha pl. az egyetem szociológiai felmérést végez egy faluban, és odaköltözik két egyetemista, a lakosok észre sem veszik. Ha viszont odaköltözik a fél tanszék, megzavarják a falu életét.
Neve sincs ennek a törvényszerűségnek, nem tudok róla.
Na, most atomok, elemi részecskék tulajdonságait duplán nehéz mérni, egyrészt mert náluk kisebb mérőműszer nincs, másrészt ehhez a nevesincs törvényhez hozzáadódnak a kvantumfizika, az elemi részecskék sajátos problémái, amikről az irodalom bőven ír, itt nem részletezem.
Ez a mérési – más felfogásban kiolvasási, vagy megfigyelési - nehézség egyrészt alapját adja a kvantumkriptográfiának a fent leírt okból, másrészt megnehezíti a kvantumprocesszorok építését, mert a számolási eredményt nehéz kiolvasni.
8) De, hát mi az a kvantumprocesszor? Hogyan működik?
Lehet mondani erre is, hogy nem mindegy már? Ez megint valami új technológia, amivel elképesztően gyors processzorokat lehet építeni, ahogyan az említett 287/387 aritmetikai koprocesszorokat is annak idején, csak milliárdszor gyorsabbat, és kész. (A ko- csak arra utal, hogy társprocesszor státusban van a központi CPU mellett.)
Azonban informatikusok között sokan vagyunk, akiknek ez kevés, akiket ennél mélyebben érdekel a működése. Ehhez semmi egyszerűen értelmezhető írást nem találtam. A nagy multik mindegyikének van már kvantumlaborja. Portáljukon próbálják is magyarázni, hogy mi ez. Nem sikerül. Azért nem, mert ők elméleti fizikusok, akik a kvantumfizika fogalmaival és szimbolikájával kezdik a magyarázatot, amit csak ők értenek.
9) Ha nem magyarázzák el, megpróbálom kitalálni
Bezárnak engem egy szobába, és terveznem kell egy kvantumprocesszort. Egyelőre mindegy, hogy milyet. Merre induljak el?
A következő vázlatos modellt műegyetemi villamosmérnöki fizikai tanulmányaim alapján most, írás közben megpróbálom rögtönözni.
Az egyes biteket egy-egy atom képviseli, pontosabban az atom valamelyik külső elektronja. Az elektronok legtöbbje olyan helyen van az atomban, ahol két állapotot vehet fel (hogy ne értsük, azt mondják, ilyenkor, hogy spinje lefele vagy fölfele áll). Olyan atom vagy esetleg molekula kell, ahol ehhez az elektronhoz hozzá lehet férni: ki lehet olvasni – ami nehéz, a nevesincs törvény miatt -, és meg is lehet változtatni.
Ilyen atomokat rögzítsünk le egy félvezető lapkához, erre nanotechnológiai módszerek vannak. Annyi atom kell, ahány bites processzort építünk. Ezek az atomok úgy viselkednek, mintha golyókat rúgókkal kötnénk össze, amiből egy rugalmas, rezgő gubanc lesz. A golyókra, képzeljük el, rá van írva a megfigyelt elektron állapota, 0 vagy 1. Ha a gubancát az asztalra letesszük, vagy szögre akasztjuk, rövid rezgés után egyensúlyba kerül, megáll.
A rúgók húzni és tolni is tudnak. A tolás annak felel meg, hogy az atomok elektronhéjai taszítják egymást, mert negatív töltésűek. (NB: Ez a taszítás az oka annak, hogy a szilárd testek nem tudnak egymásba hatolni, koppannak egymáson.) A húzás felel meg annak, hogy a pozitív atommagok vonzzák nem csak a saját elektronjaikat, hanem kismértékben a szomszéd atom elektronjait is. (NB: ettől van az, hogy a szilárd testek egyben maradnak.)
Amíg a gubanc rezeg, a golyókon a felirat folyamatosan villódzik, a golyó állapota szerint. Azt képzeld el, ahogy a golyó mozog, pl. ezredmilliméterenként váltakozik rajta az 1 és a 0.
Ezek után legyen pl. 64. kitüntetett szerepű bemeneti bit. A 64 golyót úgy mozgatjuk, hogy a rajtuk lévő szám a kívánt 2-es számrendszerű szám legyen – azaz az atomokat elektromosan úgy ingereljük, hogy az elektronjaik állapota a kívánt legyen. Ezután magára hagyjuk a gubancot, ami néhány másodperc – az atomok rendszere néhány microsec - rezgés után megnyugszik. Ha megfelelően helyeztük el az atomokat, nem csak ezt a 64-et, hanem a többi néhány százat is körülötte, a kitüntetett golyókon éppen a kívánt eredmény, pl. az eredeti szám négyzetgyöke fog megjelenni. Nyilván azt is lehet, hogy az eredmény külön kimeneti golyókon jelenjen meg.
10)
Azt hiszem, itt van a kvantumprocesszor-tervezés tudományának lényege: hogyan kell a rezgő gubancot megtervezni, és letenni, vagy fölakasztani valahova – azaz hogyan kell az atomokat elhelyezni azon a félvezető rácson –, hogy az adott bemeneti szám hatására végbemenő kölcsönös helyezkedés és taszigálódás után éppen a várt eredmény jelenjen meg.
Persze, tudjuk, a nevesincs törvény miatt a kiolvasás nehéz, valószínű, hogy több ezerszer/milliószor kell a fenti műveleteket megcsinálni, és az eredmények átlagát kell venni. Ez így már néhány másodpercig is eltarthat.
Valami ilyen szintű magyarázatot vártam volna az előadóktól. Mi nem laikusok vagyunk, akiket el kell varázsolni a kvantumfizika rejtélyeivel, hanem egy szomszédos szakma szakértői. Valamennyit illene tudnunk egymás szakmájából. Az egészséges szakmai élethez kellene is.
A rezgő gubancot segít elképzelni az alábbi, mágneses szerkezet, 1.40 s-nál kezdődik:
https://www.youtube.com/watch?v=QVcPzkubQdo
11)
A fenti vázlatos modellen látni lehet, hogy nincs külön adat és külön algoritmus, mint a Neumann-architektúra esetén.
Olvasom, hogy eddig kvantumprocesszorral csak triviális feladatokat lehetett megoldani, mint a példánkban. Belátható méretű fontos feladat, lenne, hogy az eredmény a bemeneti szám legnagyobb prímtényezője legyen – a kódfeltörésben a prímtényezőkre bontás fontos művelet. Valószínűleg több ezer bites kvantumprocesszor kell majd ehhez.
A fizikusok azt az egybites adathordozót, amit itt atomoknak képzeltem el és golyókkal szemléltettem, qbit-nek hívják. A helyezkedést, taszigálódást unitér transzformációk reverzibilis sorozatának mondják. A rezgő gubanc a kvantumprocesszor.
12)
Több ezer qbites rezgő gubanc viselkedése átláthatatlan. Valami rendező elv/architektúra, és tervezői módszertan kell majd, olyasmi, amilyen a Neumann-elv a hagyományos számítástechnikában. Arról már lehet olvasni, hogy logikai kapukat sikerült megvalósítani – a rezgő gubanc nyilván sokkal kezelhetőbb, ha nem atomonként, hanem nagyobb egységekből, logikai kapukból épül föl. Amelyek természetesen maguk is rezgő gubancok, csak egyszerűek.
Irodalom
- https://hu.wikipedia.org/wiki/Kvantumsz%C3%A1m%C3%ADt%C3%B3g%C3%A9p
- https://www.innoteka.hu/cikk/kvantumszamitogep_a_jovo_szupermasinaja.1868.html
- https://vik.wiki/images/3/3d/Kvantum_info_utmutato_labor_kvantumhalozatok_2015_osz.pdf
- https://azure.microsoft.com/hu-hu/overview/what-is-quantum-computing/#introduction
Vitályos Gábor