8 kvantumszámítástechnikai alkalmazás és példa

Lassan, de biztosan, a kvantumszámítástechnika közeledik.

A Google októberben címlapokra került, amikor bejelentette, hogy elérte a régóta várt áttörést, a “kvantumfölényt”. Ez az, amikor egy kvantumszámítógép képes olyan feladatot elvégezni, amit egy hagyományos számítógép nem. Legalábbis gyakorlati időn belül nem. A Google például azt állította, hogy az általa lefuttatott tesztprobléma megoldásához egy klasszikus számítógépnek több ezer évre lett volna szüksége – bár egyes kritikusok és versenytársak ezt erős túlzásnak nevezték.

Az IBM például ezt nem tűrte. A kvantumtechnika másik nagy szereplője azonnal válaszlevelet küldött, amelyben lényegében azzal érvelt, hogy a Google alábecsülte az IBM szuperszámítógépeinek erejét – amelyek ugyan roppant gyorsak, de nem a kvantumos fajtából származnak.

Tech giant head-butting aside, Google’s achievement was a genuine milestone — one that further established quantum computing in the broader consciousness and prompted more people to wonder, What will these things actually do?

But even once quantum computing reigns supreme, its potential impact remains largely theoretical — hence the hedging throughout in this article. That’s more a reflection, though, of QC’s still-fledgling status than unfulfilled promise.

Before commercial-scale quantum computing is a thing, however, researchers must clear some major hurdles. Ezek közül a legfontosabb: a kvantumszámítógépek által a feladatok elvégzéséhez használt információegységek, a qubitek számának növelése. Míg a klasszikus számítógépek “bitjei” 1-ek vagy 0-k, addig a qubitek lehetnek bármelyik – vagy mindkettő egyszerre. Ez a kulcs a sokkal nagyobb feldolgozási sebességhez, amely a molekuláris szintű kvantummechanika szimulálásához szükséges.

A kvantum még mindig hipotetikus jellege és az előttünk álló hosszú út ellenére a jóslatok és a befektetések bővelkednek. A Google vezérigazgatója, Sundar Pichai a Wright-fivérek 12 másodperces repüléséhez hasonlította cége közelmúltbeli, koncepciót igazoló fejlesztését: bár nagyon egyszerű és rövid ideig tartott, mégis megmutatta, hogy mi minden lehetséges. És ami lehetséges, az a szakértők szerint valóban lenyűgöző.

A kiberbiztonságtól kezdve a gyógyszerkutatáson át a pénzügyekig, íme néhány módszer, amellyel a kvantum jelentős előrelépéseket fog elősegíteni.

Post-Quantum

Helyszín: London

Hogyan használja a kvantumszámítást: Andrew Yang elnökjelölt számára a Google kvantumos mérföldköve azt jelentette, hogy “nincs feltörhetetlen kód”. Ezzel arra a sokat vitatott elképzelésre utalt, hogy a kvantumszámítógépek példátlan faktorizációs ereje súlyosan aláássa az elterjedt internetes titkosítási rendszereket.

De a Google eszköze (mint minden jelenlegi kvantumszámítógép) túlságosan hibaérzékeny ahhoz, hogy olyan közvetlen kiberbiztonsági fenyegetést jelentsen, amire Yang utalt. Sőt, Scott Aaronson elméleti informatikus szerint egy ilyen gép még jó ideig nem is fog létezni. A fenyegető veszély azonban komoly. És a kvantumrezisztens algoritmusok évek óta tartó fejlesztése – mint például a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet folyamatban lévő versenye az ilyen modellek megalkotására – jól mutatja, hogy a biztonsági közösség mennyire komolyan veszi a fenyegetést.

A NIST “elődöntőjébe” bekerült 26 úgynevezett posztkvantum algoritmus egyike a brit székhelyű Post-Quantum kiberbiztonsági vezető cégtől származik. Szakértők szerint a NIST projektje által példázott gondos és megfontolt eljárás pontosan az, amire a kvantumalapú biztonságnak szüksége van. Ahogy Dr. Deborah Franke, a Nemzetbiztonsági Ügynökség munkatársa a Nextgovnak elmondta: “Kétféleképpen lehet hibázni a kvantumrezisztens titkosítással: Az egyik az, hogy túl korán, a másik pedig az, hogy túl későn ugrik az algoritmusra.”

ProteinQure

Helyszín: Toronto

Hogyan használja a kvantumszámítást: “Az igazi izgalom a kvantummal kapcsolatban az, hogy az univerzum alapvetően kvantumos módon működik, így jobban meg lehet majd érteni a természetet” – mondta a Google Pichai az MIT Technology Review-nak vállalatának nemrég tett bejelentése nyomán. “Korai még, de ahol a kvantummechanika ragyog, az a molekulák, a molekuláris folyamatok szimulálásának képessége, és szerintem ott lesz a legerősebb. A gyógyszerkutatás remek példa erre.”

Az egyik cég, amely a molekuláris szimulációra, konkrétan a fehérjék viselkedésére összpontosítja a számítási erőt, a torontói székhelyű biotechnológiai startup, a ProteinQure. A nemrégiben 4 millió dolláros magvető finanszírozásban részesült vállalkozás a kvantumszámítástechnika vezetőivel (IBM, Microsoft és Rigetti Computing) és gyógyszeripari kutatóintézetekkel (SRI International, AstraZeneca) működik együtt, hogy feltárja a kvantumszámításban rejlő lehetőségeket a fehérjék modellezésében.

A gyógyszerfejlesztés mélyen összetett, de nagy hozamú útja, amelynek során a fehérjéket célzott orvosi célokra alakítják ki. Bár ez sokkal pontosabb, mint a kémiai kísérletek régimódi, próba és tévedés módszerével végzett kémiai kísérletek, számítási szempontból végtelenül nagy kihívást jelent. Amint azt a Boston Consulting Group megjegyezte, pusztán egy penicillinmolekula modellezéséhez egy lehetetlenül nagy, klasszikus számítógépre lenne szükség, 10-86-os bitenergiájú bitekkel. A fejlett kvantumszámítógépek számára azonban ugyanez a folyamat gyerekjáték lehet – és olyan súlyos betegségek, mint a rák, az Alzheimer-kór és a szívbetegségek új gyógyszereinek felfedezéséhez vezethet.

A tömegközeli Cambridge-ben működő Biogen egy másik neves vállalat, amely a kvantumszámítógépek gyógyszerfejlesztésre való alkalmasságát vizsgálja. A neurológiai betegségek kutatására összpontosító biotechnológiai cég 2017-ben jelentett be partnerséget az 1QBit kvantumos startuppal és az Accenture-rel.

Kvantumszámítástechnikai vállalatok, amelyek észbontó áttöréseket érnek el

Daimler AG

Helyszín: Stuttgart, Németország

Hogyan használja a kvantumszámítást: A kvantummechanika szimulálásának lehetőségei a gyógyszerfejlesztésen túl más, a kémiával kapcsolatos területeken is hasonlóan átalakító hatásúak lehetnek. Az autóipar például jobb autóakkumulátorok gyártásához szeretné hasznosítani a technológiát.

A német autógyártó Daimler AG (a Mercedes-Benz anyavállalata) 2018-ban két különböző partnerséget jelentett be a Google és az IBM kvantumszámítástechnikai nagyhatalmakkal. Az elektromos járművek “elsősorban az akkumulátorok jól működő cellakémiáján alapulnak” – írta akkor a vállalat a magazinjában. A kvantumszámítástechnika – tette hozzá – “jogos reményt” ébreszt “kezdeti eredményekre” olyan területeken, mint a cellaszimuláció és az akkumulátorcellák öregedése. Az elektromos járművek javított akkumulátorai segíthetnek az ilyen járművek elterjedésének növelésében.”

A Daimler azt is vizsgálja, hogy a kvantumszámítástechnika hogyan tudná potenciálisan felturbózni a mesterséges intelligenciát, valamint kezelni az autonóm járművekkel terhelt közlekedési jövőt és felgyorsítani a logisztikát. Ezzel egy másik nagy teuton közlekedési márka nyomdokaiba lép: Volkswagen. Az autógyártó 2017-ben hasonló kezdeményezésekre összpontosító partnerséget jelentett be a Google-lal. Emellett 2018-ban a D-Wave Systems-szel is összeállt.

Volkswagen Group

Helyszín: Wolfsburg, Németország

Hogyan használja a kvantumszámítást: A Volkswagen az optimalizálás feltárása egy olyan pontot hoz fel, amelyet érdemes hangsúlyozni: Néhány általános keretezés ellenére a kvantumszámítás fő áttörése nem csupán a sebesség, amellyel a kihívásokat megoldja, hanem a kihívások fajtái is.

A “utazó ügynök” problémája például az egyik leghíresebb a számítástechnikában. Célja, hogy meghatározzuk a lehető legrövidebb útvonalat több város között, minden várost egyszer érintve, majd visszatérve a kiindulási pontra. Az optimalizálási problémaként ismert feladatot egy klasszikus számítógép hihetetlenül nehezen tudja megoldani. A teljesen megvalósított QC-k számára azonban gyerekjáték lehet.

A D-Wave és a VW már számos közlekedési és utazással kapcsolatos optimalizálási kihíváson futtatott kísérleti programokat, többek között a pekingi, barcelonai és – éppen ebben a hónapban – lisszaboni forgalmi áramlások racionalizálásán. Ez utóbbinál egy buszflotta utazott különböző útvonalakon, amelyeket a valós idejű forgalmi viszonyokhoz igazítottak egy kvantum algoritmus segítségével, amelyet a VW minden egyes próbaüzem után tovább finomít. Vern Brownell, a D-Wave vezérigazgatója szerint a vállalat kísérleti projektje “minden eddiginél közelebb visz minket a valódi, gyakorlati kvantumszámítás megvalósításához”.

JPMorgan Chase

Helyszín: NYC

Hogyan használja a kvantumszámítást: A Microsoft úgynevezett kvantumhálózatát alkotó partnerek listáján számos kutatóegyetem és kvantumtechnológiával foglalkozó műszaki vállalkozás szerepel, de kevés üzleti partner. Az ötből kettő – a NatWest és a Willis Towers Watson – azonban banki érdekeltségű. Hasonlóképpen, az IBM Q Network hálózatában a JPMorgan Chase kiemelkedik a technológiai fókuszú tagok, valamint kormányzati és felsőoktatási kutatóintézetek tengeréből.

Az, hogy a rendkívül nyereséges pénzügyi szolgáltató vállalatok paradigmaváltó technológiát szeretnének kihasználni, aligha meglepő, de a kvantum és a pénzügyi modellezés a strukturális hasonlóságoknak köszönhetően valóban természetes párosítás. Ahogy európai kutatók egy csoportja tavaly írta, “a teljes pénzügyi piac modellezhető kvantumfolyamatként, ahol a pénzügyek szempontjából fontos mennyiségek, mint például a kovarianciamátrix, természetes módon jelennek meg.”

A közelmúltban számos kutatás kifejezetten arra összpontosított, hogy a kvantum drámaian felgyorsíthatja az úgynevezett Monte Carlo-modellt, amely lényegében a különböző kimenetek valószínűségét és a hozzájuk tartozó kockázatokat méri fel. Egy 2019-es tanulmány, amelyet az IBM kutatói és a JPMorgan kvantitatív kutatási csoportjának tagjai közösen írtak, tartalmazott egy módszertant az opciós szerződések kvantumszámítógép segítségével történő árazására.

A látszólag egyértelmű kockázatértékelési alkalmazásától eltekintve a kvantumnak a pénzügyekben széles körű jövője lehet. “Ha ma lenne, mit csinálnánk?” tűnődött Nikitas Stamatopoulos, az ár-opciós tanulmány társszerzője. “A válasz ma még nem egyértelmű.”

Microsoft

Helyszín: Redmond, Washington.

Hogyan használja a kvantumszámítást: A világnak olyan műtrágyaproblémája van, amely túlmutat a kaki túlburjánzásán. A bolygó műtrágyájának nagy részét a légköri nitrogén ammóniává történő hevítésével és nyomás alá helyezésével állítják elő, amely folyamatot Fritz Haber német kémikus az 1900-as évek elején vezetett be.

Az úgynevezett Haber-eljárás, bár forradalmi volt, meglehetősen energiaigényesnek bizonyult: az éves globális energiatermelés mintegy három százalékát a Haber működtetése teszi ki, ami az üvegházhatású gázok kibocsátásának több mint egy százalékáért felelős. Ami még őrjítőbb, hogy egyes baktériumok természetes módon végzik ezt a folyamatot – egyszerűen fogalmunk sincs, hogyan, ezért nem tudjuk kihasználni.

Egy megfelelő kvantumszámítógéppel azonban valószínűleg ki tudnánk találni, hogyan – és ezzel jelentősen energiát takaríthatnánk meg. A Microsoft kutatói 2017-ben izolálták a szimulációhoz szükséges kofaktormolekulát. És ezt meg is teszik, amint a kvantumhardver megfelelő qubitszámmal és zajstabilizálással rendelkezik. A Google vezérigazgatója nemrég azt mondta az MIT-nek, hogy szerinte a Haber kvantumos fejlesztés nagyjából egy évtizedre van.

IBM

Helyszín: Armonk, New York

Hogyan használja a kvantumszámítást: A legújabb kutatás, amely azt vizsgálta, hogy a kvantumszámítástechnika jelentősen javíthatja-e az időjárás-előrejelzést, megállapította… érdemes kutatni a témát! És bár még mindig kevéssé értjük ezt az összefüggést, a kvantumszámítás területén sokan úgy tekintenek rá, mint egy figyelemre méltó felhasználási esetre.

Ray Johnson, a Lockheed Martin korábbi technológiai igazgatója, jelenleg a Rigetti Computing kvantumos startup független igazgatója azok közé tartozik, akik jelezték, hogy a kvantumszámítógépek egyidejű (és nem szekvenciális) számítási módszere valószínűleg sikeres lesz “a változók nagyon-nagyon összetett rendszerének elemzésében, ami az időjárás”. Bernard Marr futurista is csatlakozott ehhez a véleményhez.

Míg jelenleg a világ legerősebb szuperszámítógépei közül néhányat használunk a nagy felbontású időjárás-előrejelzések modellezésére, a pontos numerikus időjárás-előrejelzés közismerten nehéz. Valószínűleg nem is olyan régen átkozott már meg egy célt tévesztett meteorológust.

Rigetti Computing

Helyszín: Berkeley, Kalifornia.

Hogyan használja a kvantumszámítást: A kvantumszámítás és a mesterséges intelligencia kölcsönös hátulütőnek bizonyulhat. Ahogy a VentureBeat nemrég kifejtette, a mélytanulás terén elért eredmények valószínűleg növelni fogják a kvantummechanikával kapcsolatos ismereteinket, ugyanakkor a teljesen megvalósult kvantumszámítógépek messze felülmúlhatják a hagyományosakat az adatminta-felismerésben. Ami az utóbbit illeti, az IBM kvantumkutató csoportja nemrégiben megállapította, hogy a qubitek összekapcsolása azon a kvantumszámítógépen, amely egy adatosztályozási kísérletet hajtott végre, a felére csökkentette a hibaarányt a nem összekapcsolt qubitekhez képest.

“Ez azt sugallja” – jegyezte meg az MIT Technology Review egyik írása – “hogy ahogy a kvantumszámítógépek egyre jobbak lesznek a qubitek hasznosításában és összekapcsolásában, úgy lesznek jobbak a gépi tanulási problémák megoldásában is.”

Az IBM kutatását egy másik ígéretes gépi tanulási osztályozó algoritmus követte: egy kvantum-klasszikus hibrid, amelyet a Rigetti Computing által épített 19 qubites gépen futtattak.

“A hasznosításnak megvan a lehetősége arra, hogy felgyorsítsa vagy más módon javítsa a gépi tanulást a tisztán klasszikus teljesítményhez képest” – írták a Rigetti kutatói. A klasszikus számítás és a kvantumprocesszorok hibridizációja legyőzte “az egyik legfontosabb kihívást” e cél megvalósításában, magyarázták.

Mindkettő fontos lépés a végső cél, a mesterséges intelligencia kvantumszámítással történő jelentős felgyorsítása felé. Ami olyan virtuális asszisztenseket jelenthet, akik elsőre megértik az embert. Vagy olyan, nem játékos által irányított videojáték-karaktereket, amelyek hiperrealisztikusan viselkednek. A lehetséges előrelépések számosak.

“I think AI can accelerate quantum computing,” Google’s Pichai said, “and quantum computing can accelerate AI.”

RelatedQuantum Computers Will Transform How We Make & Play Video Games