Közép-Európában egyedülálló kvantum­processzor az ELTE-n

Bár a kvantumos jelenségeken alapuló számítások konkrét alkalmazásokban megmutatkozó előnyei még korlátozottak, és nem beszélhetünk ezen a területen igazi versenyről, abban azonban konszenzus van, hogy a kvantum­számítógépek a jövőben jelentős, alapvető hatást gyakorolnak az informatikai trendekre, és hamarosan eljöhet az idő, amikor részben át is írják azok szabályait.


A kvantumtechnológia jelentette óriási előnyök a számítási kapacitást illetően és ezzel egyidejűleg az általa teremtett biztonsági kihívások együttesen átütő erejű társadalmi igényt támasztanak napjainkban mind az alapkutatás, mind pedig az alkalmazási területek tekintetében.

Magyarország már a nemzeti kvantumtechnológiai program (HunQTech) elindításával elkötelezte magát a terület hosszú távú fejlesztése mellett. Sikeresen kapcsolódunk az európai nagy kezdeményezésekhez: hazánk tagja a Quantum Community Network (QCN) hálózatának, részt vesz az európai Quantum Flagship egymilliárd eurós, tízéves időtávban tervezett nagyszabású fejlesztési programjában, a EuroQCI nyilatkozat aláírói között van (európai kvantum­kommunikációs infra­struktúra fejlesztése), a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal pedig tagja a QuantERA 31 ország 39 kutatás­­finanszírozó szervezetét összefogó európai hálózatnak.

A Kvantuminformatikai Nemzeti Laborató­rium intézményeken és diszciplínákon átívelő tevé­keny­sége fogja össze jelenleg a legszélesebb kör­­ben a magyar­országi kvantum­informatikai ku­tatásokat. Az ELTE Informatikai Karán és Természet­tudo­mányi Karán a következő területeken végeznek ku­ta­tá­sokat: kvan­tum­számító­gépek programo­zását meg­könnyítő programozási nyelvek és szoftver­­fej­lesz­­tési esz­­kö­zök (for­dító­­programok, elemző-, pro­fi­lozó- és re­­fak­to­ráló­­­esz­­közök), klasszikus és kvantumos program­elemek egyesítése, kód­­op­ti­ma­li­zá­lási módszerek, kvantumalgo­ritmusok, kvan­tum­­számítógép-szimu­látorok, posztkvan­tum krip­­tog­ráfia, valamint optikai és kvan­tum­­optikai alap­jelenségek kísérleti úton való tanulmányozása.

Az ELTE a Laboratóriumban folyó kutató­munka infra­strukturális háttereként szerzett be egy Közép-Európában egyedülálló, a világ élvonalát képviselő fotonikus processzort, amely a továbbiakban a verseny­képes alap- és alkalmazott kutatások egyik fő eszköze lesz.

Fotonikus processzor

A fotonikus processzorok kulcs­fontosságúak mind a kvantumos, mind a fényt használó információ­feldolgozási fel­adatokban. A lineáris optikai kvantum­információ-fel­dolgo­zás­hoz nagy méretű és alacsony veszteségű programozható fotonikus processzorokra van szükség.

Integrált, felhasználóbarát felépítés

A Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium támogatásával az ELTE választása – Vattay Gábor fizikus irányítása mellett – egy egyetemi startup, a University of Twente campusán működő QuiX Quantum univerzális kvantum­fotonikus processzorára esett. Ez egy kis veszteségű, nyolc üzemmódú, hangolható lineáris interfero­méter, azaz a nyalábokra osztott lézersugár inter­ferenciáját mérő műszer. A hullám­vezetők elrendezése tet­sző­le­ges lineáris optikai transzformációt, vagyis számítási mű­veletet tesz meg­valósíthatóvá. A műveleteket (fizikailag a vezetőkön elhelyezett kapukat) egy a processzorhoz csatla­koz­tatott hagyományos számítógépen futó program vezérli.

Az eszköz nyolc bemeneti csatornával rendelkezik

Fontos felismerni, hogy az új típusú számítógép-architektúrák nem jelentenek gyakorlati megoldást minden számítási problémára, ugyanakkor lehetőséget kínálnak hatékonyabb algoritmusok végre­hajtására számos fontos probléma­osztályhoz. A kvantum­számítás-technikai kutatások egyik célja annak tanulmányozása, hogy egy kvantum­számítógép milyen problémákat oldhat meg gyorsabban, mint egy klasszikus számítógép. A kvantum­számító­gépek rendkívül jól használhatók olyan problémáknál, amelyekhez nagyszámú lehetséges kombináció kiszámítása szükséges. Az ilyen típusú tudományos és gyakorlati problémák számos területen megtalálhatók, nagy hatékonyság várható például a gépi tanulás, a kombina­torikus optimalizálás, az adat­bázis-keresés és a portfólió­optimalizálás területén. A kiberbiztonság szempontjából fon­tos alkalmazási lehetőség a véletlen­szám-generálás, vala­mint a nagy számok faktorizációja.

Bármilyen lineáris optikai transzformációt megvalósít

A kvantumos és fotonikus eszközök jelenleg drágák, rossz a hibatűrésük, bizonyos fajtáik nagyok, és speciális környezetet igényelnek, ezért a felhasználó­barát architektúrák és a felhőben való használhatóság, az infra­struktúra megosztása, hozzáférés biztosítása, továbbá a szimuláció a fejlesztési folyamat sikerének egyik záloga.

Terveink között szerepel egy olyan webes interfész kialakítása, amely a chip távoli használatát teszi lehetővé. Tekintettel az eszköz Kelet-Közép-Európában egyedülálló mivoltára, az ELTE kutatói kötelességüknek érzik, hogy a projekt résztvevőin kívül a tudományos kutatás számára is elérhe­tővé tegyék azt. Fizikusok, biológusok, kémikusok részéről már most is hatalmas érdeklődés tapasztalható, és a chip egy tágabb kutatói körben, sokféle természet­tudományos feladatra való programozása fel­becsülhetetlen tapasztalatokkal szolgál majd a Laboratóriumban folyó kutatások számára is.

Az eszköz programozása egy unitér mátrix segítségével valósul meg. A jelenleg 8 × 8-as mátrix alatt a processzor meg­határozott meg­bízhatósággal hajtja végre a programot. A program meg­bízhatósága mérhető, és az előforduló hibák mintázatai még gépi tanulási algoritmusok segítségével is detektálhatók. E tudás birtokában különféle hibajavítási technikákat dolgozunk ki, és a kutató egyszerű önellenőrzéssel is átalakíthatja a mátrixát úgy, hogy a mérési eredmény az elvárthoz a lehető legközelebb legyen.

A Piquasso nevű, szabadon hozzáférhető szimulátor hatékonyságát tekintve gyakorlatilag a világ élvonalát képviseli. A Kozsik Tamás informatikus és kutatócsoportja által fejlesz­tett alkalmazás bizonyos számításokban akár négyszer gyor­sabb, mint a jelenleg piacvezető TheWalrus (Xanadu) szi­mu­látor, sőt az FPGA-alapú számítás­gyorsító megoldásunk­kal ez az előny tizenhárom­szorosra növelhető. A kvan­tum­­szimulátorok a kvan­tum­algoritmusok futtatására alkalmasak kvantum­számító­gép nélkül, így megkönnyítik az algoritmusok tesztelését és hiba­keresését. Napjainkban a szimulátorok kapacitása még jelentősen meghaladja a fizikailag megvalósított kvantum­­számítógépekét, ám ez a trend hamarosan megfordul.

A következő évek nagy kihívása, hogy kutatás-fejlesztési és innovációs eredményeik mennyire teszik a magyar kutató­­csoportokat verseny­képessé az európai zászlóshajó­program­ban, kellően sikeresek leszünk-e a nagy horderejű inter­diszciplináris tudományos és technológiai kihívásokat célzó kutatási tevékenységek koncentrációjában, valamint az eredmények technológiai, üzleti becsatornázásában. Az ELTE-n üzemelő kvantum­hardver a közeli jövő egyik nagy ígéretét jelenti ebben az irányban.•


 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021  2022
Címkék

Innotéka