Sok szó esik mostanában a kvantumszámítógépekről, arról azonban kevesebb, hogy milyen előnyei – esetleg hátrányai – lesznek a hagyományos eszközökhöz képest, és ezek mire használhatók. Vattay Gáborral, az ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék vezetőjével ezekről a kérdésekről beszélgettünk, s a végén az is kiderül, hogy kutatásaik akár az univerzum nagy kérdéseire is választ adhatnak.
– Milyen témaköröket rejt a komplex rendszerek fizikája elnevezés?
– 1997-ben hoztuk létre a tanszéket, látva az amerikai és európai példákat. A fizikusok szeretik szétszedni a dolgokat minél kisebb darabokra, de nagy kérdés, hogyan állítsuk vissza az egészet, miután megértettük a részek működését, illetve hogyan jön ki belőlük az egész viselkedése? Mindig kiderül, hogy az egész sokkal többet tud, mint a részek összessége. Az anyag mélyén a kvarkoktól indulva egyre bonyolultabb, egyre komplexebb dolgok keletkeznek és a fizika szempontjából mindezek véletlennek tűnnek. Mi sok más téma mellett azzal foglalkozunk, miért következnek be szisztematikusan ezek a véletlennek tűnő események. Miért kell a rend és rendezetlenség határán, kritikus állapotban lennie az anyagnak ahhoz, hogy valami bonyolultabb jöjjön létre? Ez a komplex rendszerek fizikája. Ha élőlényekről van szó, akkor ezt evolúciónak hívjuk, de azt is ilyen folyamatok előzik meg. Ennek a stációit akarjuk megérteni.
Még a 80-as években Nobel-díjas tudósok javasolták az USA-ban, hogy ezeket a felépülő folyamatokat is lehetne kutatni. Ezért jött létre a Santa Fe Intézet Új-Mexikóban.
Én nagyjából 2000-ig foglalkoztam kvantumrendszerekkel, majd 2010-ig komplex hálózatokkal. Akkor találkoztam Stuart Kauffmannal, aki a Santa Fe alapítóinak egyike is volt.
Beszélgettünk, és éppen az a téma kezdte érdekelni, amit én akkor már régóta nem csináltam. A korábbi tapasztalatok azt mutatták, hogy a kvantummechanika nagyon alacsony hőmérsékleten és akkor érvényesül, ha nagyon el van szeparálva a rendszer. Ezzel szemben 2007-ben találtak olyan baktériumokat, amelyek a fotoszintézis során kvantummechanikai effektusokat használnak, méghozzá szobahőmérsékleten, vizes környezetben. A biológiai evolúció tehát kitermelte azt a mechanizmust, ami képes kihasználni ezeket az előnyöket. Kauffman alapvetően evolucióbiológus, és úgy gondolja, hogy így akár kvantumszámítógépet is lehetne építeni normál hőmérsékleten. Ehhez kellett neki egy fizikus, s engem választott. Itt járt Budapesten, beszélgettünk három napot. Visszament az USA-ba és egy hét múlva küldött egy 80 oldalas szabadalmi leírást az alapján, amiről beszélgettünk. Végül 2014-ben meg is született a szabadalom.
– Alighanem mindenki arra kíváncsi elsősorban, hogy mikor lesz működő kvantumszámítógép.
– Tulajdonképpen már van. A D-Wave nevű cég Kanadában gyártotta, az elsőt a Lockheed Martin vette meg. Ma egy ilyen eszköz 15 millió dollárba kerül, ami körülbelül 4,5 milliárd forint. A Vermont Egyetemen dolgoztam 2011-12-ben, a Lockheed Martin pénzén. Az USA-ban a katonai komplexum komolyan számol azzal, hogy a kvantumszámítógép tíz éven belül óriási előnyt fog nekik jelenteni. Európában akkor még senki nem gondolt arra, hogy ez mennyire fontos dolog. Most az EU indított egy kvantumtechnológiák nevű programot, a konkrét projektek 2018 elején kezdődnek majd. A magyar kormány is felzárkózott, éppen mostanában írták ki hozzá a pályázatokat. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközponttal közösen készül egy nagy magyar konzorcium, hogy itthon is megpróbáljuk az elemeket felépíteni. Magyarországon is kellenek hozzáértők akkor is, ha nem leszünk kvantumszámítógép-nagyhatalom, de tudnunk kell használni ezeket az új technológiákat, amelyek forradalmasítják majd a számításokat. Olyan lehetetlennek tűnő problémákat tud megoldják, amikről eddig úgy tűnt, akkor sem tudunk megoldani, ha a mai számítástechnika még 100 évet fejlődik. Jó, ha ezt itthon is tudjuk használni, mert versenyhátrányba kerül, aki nem ért hozzá.
– Mik az előnyei a kvantumszámítógépeknek a hagyományos rendszerekkel szemben?
– Egész más elveken működik. Nagyon leegyszerűsítve a dolgot, a klasszikus számítógépek vagy-vagy, azaz egymást kizáró döntéseket hoznak, tehát valami vagy 0, vagy 1. A kvantummechanikában ezek együtt képesek létezni. A kvantumszámítógép felgyorsítja az optimalizációt, egyszerre vizsgál nagyon sok összetevős problémákat. Ezt talán az utazó ügynök történetével lehet megvilágítani, aki 20 városban szeretne eladni valamit, és persze minél olcsóbban szeretné megúszni az utat. A tervezésnél hagyományos módszerrel egyesével kellene végigpróbálni minden útvonalat, a kvantummechanika egyszerre tartja számon a 20 faktoriális (körülbelül 1018 ) lehetőséget. A D-Wave számítógépe mikroszekundumok alatt megoldja, a problémát, megtalálja a legoptimálisabb útvonalat, de még kísérleti stádiumban van. Ám ahogy a hagyományos számítástechnikában, itt is működik a Moore-törvény. 2011 és 2017 között megtízszereződött a kapacitása, s ha a következő hat évben is megtízszereződik, akkor olyan gigantikus gép lesz, amivel már semmi nem tudja felvenni a versenyt. Addig azonban még nagyon sok lépést kell megtenni.
– Tehát még ne dobjuk ki az otthoni gépeket?
– Semmiképpen. A kvantumszámítógép már csak azért sem váltja ki őket, mert architektúrája memóriára nem alkalmas, inicializálni is lassú. Relatíve sokáig tart, mire az áramkörök kalibrálják egy-egy feladatra a gépet. A feladattal 25 mikroszekundum alatt végez, de 100 mikroszekundum alatt áll be arra a problémára, amit megold. A mai számítógépek ezalatt egy csomó problémát meg tudnak oldani. De nem is minden vihető be könnyen, viszont, ha sikerült, akkor azt rendkívül gyorsan megoldja, majd visszadobja a „régi” gépnek, és ott már klasszikus formában lehet használni a megoldást. Ez az, amire a gyakorlati életben is használható lesz, nem csak tudományos kérdések megoldására. Most azon a ponton beszélgetünk, amikor felfutóban van a téma. Engem leginkább az érdekel, mik azok a részek, amik kizárólag tökéletes kvantummechanikai körülmények között működnek, és mik azok, amikhez kevesebb is elég. Az utóbbiból lehet majd tovább lépni, és szerintünk a 0 Kelvin és a szobahőmérséklet között lehet optimuma, ahol a legjobban működik.
– A kvantummechanika és a biológia kapcsolata különösen izgalmasnak tűnik.
– Régi kérdés, hogy használja-e az agy a kvantummechanikát számolásra? Voltak, akik azt mondták, agyunk egy nagy kvantumszámítógép, de ezt már észrevettük volna. Én azt sejtem, hogy agyunk is használja valamilyen formában. Ha ráébredünk arra, hogy hogyan építhetnénk kvantumkomputert, rá fogunk ébredni arra is, hogy miket kell keresni az agyban. Az evolúció során a kémiai reakciók, amiket mi klasszikusan egyenként próbálgatunk ki egymás után, az idő egy pillanatában egyszerre párhuzamosan is kipróbálódhattak. Az élet folyamatait is a kvantummechanika gyorsította, de csak most kezdünk rájönni arra, hogyan gyorsíthatta, hol vannak azok a pontok.
Van egy vicc arról, hogy mi a hélium? Ha nagyon sok gigatonnát egyben tartunk belőle 13,7 milliárd évig, akkor a végén beszélni fog. Az univerzum magától és primitív építőkövekből jött létre és most itt beszélgetünk. A világ nagyon komplex rendszer, és a kvantumkomputer segít vagy segíthet abban, hogy megértsük, hogyan lett a részekből egész.
TRUPKA ZOLTÁN
2017/10
