A kvantumvisszhang működése
A kvantumvisszhang lényege, hogy a kvantumszámítógép qubitjein (kvantumbiteken) végzett műveleteket szándékosan visszafordítják, de közben véletlenszerű változtatásokat iktatnak be, így a rendszer sosem tér vissza teljesen eredeti állapotába. A qubit minden pillanatban két állapot között lebeg, és amikor mérünk, csak valószínűséget kapunk arra, hogy éppen melyik állapotban van. A qubitek összefonódnak a szomszédaikkal, tehát az egyik állapota kihat a másikra is, ezért az ilyen rendszerek viselkedését klasszikus számítógéppel nagyon nehéz modellezni.
A Google mérnökei először egy irányba futtatják a qubiteken az egymással összefüggő műveletsorokat, majd egy apró, pillangó-effektust idéző zavart okoznak, utána elindítják a visszafordított műveletsort. Ennek eredményeként a rendszerben egészen szokatlan interferenciák jelentkeznek, vagyis a számítás minden egyes lefutása kicsit más eredményt ad, így csak sok ismétléssel rajzolódik ki a valószínűségi eloszlás. Érdemes megjegyezni, hogy ezt az úgynevezett OTOC-ként (out of time order correlations) is emlegetett módszert most sikerült először érdemben demonstrálni.
Kvantumfölényből kvantumhaszon
A kvantumvisszhang lényegét Monte Carlo-szerű sztochasztikus módszerként is értelmezhetjük: ismételt futtatásokkal egy fizikai rendszer viselkedését tudjuk szimulálni. Ami igazán jelentős, hogy mindezt a klasszikus hardverekkel már nem lehet reálisan megismételni. Egy tipikus mérést, amit a Google kvantumszámítógépe 2,1 óra alatt elvégzett, az USA legnagyobb szuperszámítógépével, a Frontier-rel legalább 3,2 évbe (több mint 1150 napba) telt volna – ez már önmagában is 13 ezerszeres kvantumelőnyt jelent.
Ezzel szemben, ha a feladatot még tovább akarjuk bonyolítani, a klasszikus szimuláció az elképzelhetőnél is sokkal lassabbá válik. Ez alapján megállapítható, hogy a kvantumalgoritmus valódi, gyakorlati jelentőséggel bír.
Valódi molekulák, valódi alkalmazás
A kutatók bebizonyították, hogy ez a visszhang-algoritmus nemcsak a kvantumhasonlat kedvéért létezik, hanem valódi molekulák jellemzésénél is jelentős előnyöket nyújt. Nukleáris mágneses rezonancia (NMR) szimulációval dolgoztak: minden atommag egyedi kvantumtulajdonságú pörgéssel (spin) rendelkezik, a molekulákon belüli kölcsönhatás pedig bonyolult kombinációkat eredményez. Az NMR eljárás a molekulák szerkezetét tudja feltérképezni a spinkölcsönhatásokon keresztül, de minél nagyobb a molekula, annál kezelhetetlenebbé válik a mintázat.
A Google csapata speciális módosításokkal (például 13C izotóppal) tette lehetővé, hogy a molekulán belül egy adott ponttól kiindulva vizsgálják a “visszhangokat”. Ha a hálózat távoli pontjain célzott zavarokat okoznak, akkor a rendszer válaszából következtetni tudnak a szerkezeti összefüggésekre és távoli kölcsönhatásokra – jóval mélyebben és gyorsabban, mint a klasszikus NMR-rel eddig lehetséges volt. Erre a kísérletre frappáns nevet is találtak: TARDIS (Time-Accurate Reversal of Dipolar InteractionS) – vagyis időben precíz kölcsönhatás-visszafordítás.
Mennyi mindent jelent ez valójában?
Fontos megjegyezni, hogy a Google kísérletei egyelőre kis molekulákon történtek, amelyek modellezése akár klasszikus gépeken is gond nélkül kivitelezhető lett volna. A kvantumalgoritmus mindössze 15 qubiten futott, bár a Willow chipen már 105 qubit található, ebből 65-öt használtak ki. Így a teljes áttöréshez még további fejlődés szükséges, és a legnagyobb kihívás most az, hogy a visszhang módszer hasznosságát nagyobb, valóban klasszikus gépekkel már nem modellezhető molekulák esetében is igazolják.
Az is akadály, hogy a kvantumvisszhang algoritmus eredményeit egyelőre nem lehet egyszerűen ellenőrizni más számítógépekkel: a Google szerint jelenleg nincs másik hardver, amely ugyanilyen pontos (alacsony hibaarányú) és ekkora számítási kapacitású lenne. Más vállalatok vélhetően vitatnák ezt az egyeduralmat, ám a friss publikáció idején még nem volt lehetőség a véleményükre.
Kvantumforradalom: most kezdődik igazán?
A mostani kvantumalgoritmus – habár elsősorban elméleti áttörés – valódi lehetőségeket nyit meg a molekulák szerkezetének feltérképezésében és komplex rendszerek gyors elemzésében. Hamarosan más hasznos algoritmusok is érkezhetnek: a Google kutatói elárulták, hogy már most több újdonság van a tarsolyukban. Ha a hardver pontosabbá válik, akkor a most elhelyezett alapokra akár egész NMR-laborok jövője épülhet.
Mindezek alapján elmondható, hogy a Google kvantumalgoritmusa valóban új korszakot nyithat: először fordulhat elő, hogy a kvantumgép nem csupán játékszer, hanem gyakorlati eszköz – és lassan tényleg leiskolázzák a legnagyobb szuperszámítógépeket is.
