Közép-Európában egyedülálló kvantumprocesszor az ELTE-n
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.
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.
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.
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.
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.•