2020. december 3-án, Kína vezető kvantumkutató-csoportja bejelentette, hogy elérték a kvantumfölényt a Jiuzhang nevű (ősi kínai matematikai szöveg után) kvantumszámítógéppel.

A címet eddig a Google birtokolta, amely tavaly jelentette be, hogy a saját kvantumszámítógép-rendszerükkel megvalósították a kvantumfölényt. A kínai rendszerrel percek alatt végezhetünk el olyan számítási folyamatokat, amelyekhez a világ legerősebb szuperszámítógépét használva kétmilliárd évre lenne szükség. A második helyre visszacsúszott Google ,,pusztán” tízezer éveket spórolna meg. Az összehasonlításnak azonban több szempontja is van! A két rendszer működése abban különbözik alapvetően, hogy a Google áramköreihez szuper-alacsony hőmérsékletűre hűtött szupravezető fémeket használnak, míg a Kínai Műszaki és Tudományegyetemen dolgozó kutatók rendszere, fotonokat manipulál.

Mit nyerhetnek, illetve veszíthetnek a nagyhatalmak?

Hihetetlen sebességgel változó világunk immáron legfontosabb valutája az információ. Ez alapvetően határozza meg döntéseinket. A játékelmélet és a valószínűségszámítás előrejelzései és becslései, de a gyors adatbányászat is behozhatatlan előnyhöz juttathatja a stratégiai döntéshozókat. Különösen azokat a nagyhatalmakat, ahol ennek a képességnek adottak a technikai feltételei.

Végeredményben mi különbözteti meg a szuperszámítógépek tudását hagyományos társaiktól?

A hagyományos számítógépben az információt kétállapotú, úgynevezett bináris bitekben tárolják. Egy bit információ továbbításához legalább egy bináris számjegy szükséges. A hagyományos számítógép hardvere erősnek mondható, ezért rengeteg számítást tud elvégezni másodpercek alatt, vagyis feldolgozni ezeket a bináris számjegyeket egyesével, sorrendben. Azonban gyengeségei is ebben rejlenek a fejlettebb szuperszámítógépekhez képest. A hagyományos számítógép gyengén teljesít a képfelismerésben, a természetes nyelvek feldolgozásában, a gépi tanulásban és az optimalizációs problémák megoldásában.

A hiányosságokat orvosolandó, megalkották a szuperszámítógépeket, amelyek hatványozottabban több számítást képesek, jóval rövidebb idő alatt elvégezni.

A szuperszámítógépek közül eddig talán az IBM, Watson fantázianevű gépe a legismertebb. Hírnevére 2011-ben tett szert, amikor internetkapcsolat nélkül győzte le emberi ellenfeleit az amerikai Szerencsekerék kvízműsorában. Azóta Watson ajánlott már személyre szabott kezeléseket, ételrecepteket, valamint a megfelelő biztosítótársaság kiválasztásában is jeleskedett. Ezalatt a néhány év alatt a tempó jelentősen felgyorsult.

A szuperszámítógépek számítási mértékét petaflopsban adják meg. Ez azt mutatja meg, hogy az adott gép, hány milliárdszor millió műveletet tud elvégezni 1 másodperc alatt. Gyakorlati példával illusztrálva, a 2020 júniusáig csúcstartó, USA-beli Summit egy másodperc alatti munkáját, az ember még akkor is milliárd évek alatt végezné el, ha percenként 60 művelet megoldására lenne képes. Éppen ezért, a szuperszámítógépeket kutatólaborok használják, rendszerint modellezésre. És nem csak a sebességük miatt. Ott, ahol óriási adatmennyiséget kell kezelni, olyan összefüggéseket is észrevehetnek, kimutathatnak, amelyek felett a tudósok elsiklanának.

A Top 500, teljesítmény alapú ranglistája alapján, az első öt hely Japán, USA, valamint Kína között oszlik meg.

A szuperszámítógépek listáját Japán vezeti a Fugakuval, amely 513 petaflops teljesítményű. Őt követi az amerikai Summit (200) és Sierra (125); végül a kínai Sunway TaihuLight (125) és Tianhe-2A (100) zárja a sort. Ezután következnek jórészt az európaiak, jelentősen lemaradva, feleekkora teljesítménnyel. Csak az arányokat érzékeltetve, a következő generációs, 600 millió dollárból készülő gép, az amerikai El Capitan már 2000 petaflops teljesítményre lesz képes. A még elméletben létező gép máris munkát talált: az USA nukleáris készletét fogja felügyelni.

Ez a vérfrissítés azért is fontos, mert az Egyesült Államok máig egy 8″-es floppylemezekkel működő 1970-es évekbeli IBM-gépet használ a nukleáris állományának biztonsági ellenőrzésére, a Stockpile Stewardship Program keretében.

A nagyobb teljesítmény egyre nagyobb méretet, bonyolultabb adatátviteli mechanizmusokat és hűtést kíván. Ugyanakkor szigorú határt szab a számítások lineáris volta. A következő lépcsőfok a kvantumszámítógép lehet. A gép nem klasszikus biteket, hanem qubiteket használ a számításokhoz. Egy bit vagy 0, vagy 1-es értéket vehet fel, a qubit, a kvantuminformatika építőkockája viszont 0 és 1 között bármilyen értéket felvehet. Vagyis a valódi érték szuperpozícióban van. Azaz, amíg nem mérjük meg, hogy tulajdonképpen 0 vagy 1 az érték, a szuperpozícióban egyszerre lehet az mindkettő, viszont a mérés után már nem lehet mindkettő igaz, a qubit az egyik értéken rögzül.

Hogy ez ne történhessen meg, egy kvantumszámítógép ezeket a kvantumbiteket kvantumlogikai kapuk használatával manipulálja.

Leegyszerűsítve ez olyan, mintha az eddigi műveleteket nem sorban oldanánk meg, hanem egymás mellé téve őket, egy sajátos koordináta-rendszerben elhelyezve alkotnánk belőlük műveleti sorozatokat, szabadon manipulálva a sokaságot. Az a munka, amit 1 processzor 1 óra alatt végez el, 2 processzornak már fél óra alatt sikerül. A szuperszámítógépek teljesítménye hatványozott, a kvantumszámítógépeké gyökvonásos. A szuperpozíció miatt minél több kvantumbittel dolgozunk, annál nagyobb a kvantumszámítógép teljesítménye. Ugyanakkor a megbízható működéshez megfelelő számú kvantumbitet kell előállítaniuk, amiket mikroszkopikus részecskék testesítenek meg. Ezek áramkörbeli megtartására használhatók a következők: ioncsapda, optikai csapda, félvezető, szupravezető, fémként viselkedő szén nanogömbök, speciális tranzisztorok vagy ritkaföldfém-ionokkal szennyezett szervetlen kristályok.

A Jiuzhang fejlesztői saját programkódot írtak, hogy a Sunway TaihuLight nevű szuperszámítógépen futtathassák, de ezzel nem érhettek el hasonló eredményt. Becslések szerint, nagyjából 2,5 milliárd évre lenne szükség, hogy a Sunway TaihuLight elvégezze azokat a számításokat, amikhez a Jiuzhangnak több mint három percre volt szüksége. A Google saját kvantumcsipje, a Sycamore 54 kvantumbittel dolgozik; működés közben a csipet 1 Celsius-fokkal az abszolút nulla fok (-273 Celsius-fok) fölé hűtötték. A művelet során egy kvantumbit széthullott, de a maradék 53 is elég volt az eredményekhez.

A kínai eredmény még kérdéses, a számítás újszerűsége miatt.

A kínai kutatócsoport ugyanis statisztikai teszteket használt a kvantumfölény elérésének alátámasztásához. A kvantum-adathordozókhoz fotonokat használtak, amik tükrök segítségével navigálhattak az optikai áramkörökben. A folyamat végén minden kiolvasott foton egy kvantumbitet reprezentált. Ugyanakkor a fotonokra épülő prototípust nem könnyű újraprogramozni a különböző számítástípusok elvégzéséhez. Működését gyakorlatilag az optikai áramkörökbe kódolták. Emiatt a Jiuzhang gyakorlatilag csak egyféle műveletet tud elvégezni: a bozon-mintavételt (boson sampling). Még.

A Google és a kínai kutatócsoport elsőbbségi rekordjai annak köszönhetők, hogy viszonylag sok kvantumbitet sikerült létrehozniuk. Ennek értéke azonban ismeretlen, jobban mondva szupertitkos!

Éppen ezért a nagyhatalmak a kvantumszámítógéppel kapcsolatos hírekre szuperszenzitívek. Csak az hozható nyilvánosságra, ami éppen az adott nagyhatalom érdekét szolgálja, presztízs és szakember fejvadászat szempontjából. Eddig szinte biztos, hogy az Egyesült Államok és Kína rendelkezik a technikával és a technológiával, már csak a tőkeigény, a ritkaföldfémek és szupravezetőkből való ellátottsága kapcsán is. Ezen a szinten a tét már nem a rákkutatás vagy személyre szabott szolgáltatások: védett adatbázisokban tárolt identifikációs (például helyadatok, digitális aláírás) és pénzügyi adatok pillanatok alatt feltörhetőek. A világhatalmi státuszhoz új eszköz készült, amit senki se fog félni használni!

Forrás:

hvg.hu
GoogleBlog
energy.gov
physicsworld.com
Kvantumfölény
fortune.com
Qubit.hu
reuters.com