Műegyetemi részvétellel épül az európai kvantumszámítógép

Március 1-jén indult az Open Superconducting Quantum Computers elnevezésű projekt, amely 10 európai ország 28 kutatópartnerét egyesíti egy 1000 qubites kvantumszámítógép kifejlesztésében.

A magyar tudományos intézmények közül a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Természettudományi Kara (BME TTK) és a Wigner Fizikai Kutatóközpont vesz részt az OpenSuperQPlus projektben, elméleti támogatást adva a kvantumszámítógép fejlesztéséhez. A két intézmény szakemberei a kvantumos hibajavítás megvalósítási módjai és hibatűrő számítások mellett a kvantumszámítógép működéséhez szükséges programokat is fejlesztik. A Műegyetem részéről a Természettudományi Kar Elméleti Fizika Tanszékének szakemberei, Asbóth János Károly és Pályi András egyetemi docensek vezetik a kutatásokat.

A várhatóan 2030-ig tartó projekt hét éves együttműködése során számítanak a kutatói csapatok munkásságára, amelynek várható eredménye egy 1000 kvantumbites kvantumszámítógép kifejlesztése lesz. A konzorcium a projekt első 3,5 éves fázisában több hardver- és szoftverértékelő rendszert, elsőként egy 100 kvantumbites kvantumszámítógépet hoz létre a speciális alkalmazásokhoz. A projekt második szakaszában ezek alapján foglalkoznak majd a szakértők az 1000 kvantumbites kvantumszámítógép kritikus komponenseivel, és a továbbfejlesztés technológiai irányvonalainak meghatározásával. A fejlesztés a vegyipar, az anyagtudomány, az optimalizálási kihívások és a gépi tanulás területein hozhat nagy horderejű változásokat a jövőben.

Forrás: https://twitter.com/OpenSuperQPlus/status/1630855461187514368

„Egy különleges együttműködésben hívjuk közös munkára az európai kvantumtudomány meghatározó szakembereit, hogy átfogó keretrendszerben oldhassuk meg korunk kihívásait függetlenül attól, hogy valaki állami vagy piaci szektorban tevékenykedik. A kvantumszámítógépek hibáinak leküzdéséhez és a teljesítmény növelésére irányuló technológiai kihívások megoldásához az európai kvantum-ökoszisztéma együttes, kiemelkedő teljesítményére van szükség" – hangsúlyozta az együttműködés céljáról Frank Wilhelm-Mauch, a német Forschungszentrum Jülich kutatócentrum koordinátora.

Forrás: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau

Az OpenSuperQPlus projekt működését az Európai Unió a Horizon Europe keretprogram tematikus alapjából 20 millió euróval támogatja. A BME Természettudományi Kara a projekt első fázisának időszakára 274 ezer euró, azaz mintegy 100 millió forintos támogatásban részesül, amelyet tudományos kutatási tevékenységére fordíthatnak a résztvevők. A projektről Asbóth Jánost, az Elméleti Fizika Tanszék egyetemi docensét és a Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos főmunkatársát kérdeztük.

Sokat hallani a kvantumszámítógépekről, egyáltalán milyen kvantumszámítógépek működnek ma a világban?

Mivel ez nagyon korai fázisban lévő technológia, még csak kvantumszámítógép-prototípusok vannak, amelyek kevés kvantumbiten, és elég zajos alkatrészekkel működnek. Pillanatnyilag a legfejlettebb hardver szupravezető nyomtatott áramkörökre épít, de a vákuumban lebegtetett atomokkal dolgozó kvantumszámítógépek is ígéretesek. Amerikai és európai nagy tech-cégek és startupok is építettek ezen hardverekre alapozó 100 körüli kvantumbites gépeket. Jelenleg talán a legjobbnak az IBM és a Google kvantumszámítógépeit mondhatjuk, ezek is szupravezető-alapú gépek. A Google 72 kvantumbites csipje meglehetősen pontos és gyors, az IBM pedig már 433 kvantumbitet is integrált egy csipre, bár annak pontossága feltehetőleg lényegesen rosszabb. Az akadémiai szférában - erre, mármint a nyílt fejlesztésre utal az Open a pályázat címében - az egyik kiemelkedő, szupravezető-alapú kvantumszámítógépet a zürichi ETH-n építették, ez ugyan csak 17 kvantumbites, de ezzel az eszközzel sikerült először ismételt mérésekkel a kvantumos hibajavítást megvalósítani. A fejlesztés az OpenSuperQ projekt része volt, aminek folytatása a mostani OpenSuperQPlus.       

 

Mi a szerepük az új projektben a magyar résztvevőknek?

A Wigner FK és a BME TTK elméleti kutatással járulnak hozzá a projekt sikeréhez. Egyrészt azt kutatják, milyen algoritmikus eljárásokkal lehet növelni a megépítendő kvantumszámítógép-prototípus(ok) pontosságán. Másrészt azt, milyen feladatokat érdemes már ezeken a prototípusokon is futtatni - ezek lehetnek kvantumkémiai számítások, de akár gépi tanulás bizonyos elemei is.  

 

Javítani kell a pontosságukon, ez azt jelenti, hogy nem elég pontosak, akár hibázhatnak is?

A mai kvantumszámítógép-prototípusok kevés kvantumbitből állnak és nagyon pontatlanok. A békén hagyott kvantumbitek maguktól is elveszítik az értéküket.  Mi pedig nemcsak, hogy nem hagyjuk békén őket, hanem műveleteket végzünk rajtuk, ami tizedszázalékos szintű hibákkal jár. Ráadásul a kvantumszámítógépek bitjeinek kiolvasási hibája is nagyon nagy, 1-2%-os.  A pontosság javítása óriási mérnöki kihívás, amelyben szoftveres, statisztikai eszközök is segíthetnek. Itt kapcsolódik be az OpenSuperQPlus munkájába a BME: olyan algoritmusos trükköket fejlesztünk, amelyekkel csökkenteni lehet a kvantumszámítógépeket érintő zajok hatását.

 

Mihez képest pontatlanok? Van egy etalon gép vagy hagyományos komputerekkel mérik össze a számításaikat?

A kvantumszámítógépeken le lehet futtatni úgymond benchmarking céllal számítási példákat, ahol tudjuk, mi a megoldás. Ezekkel fel lehet mérni a különböző komponensek zajszintjét. 

 

Ön szerint a hagyományos elven működő komputerek velünk maradnak, és fejleszteni is fogják őket?

Mindenképpen! A mindennapos számítógépes feladatokra várhatóan nem lesznek jók a kvantumszámítógépek: a szövegszerkesztés, az internetezés vagy a tartalomfogyasztás a hagyományos számítógépekkel sokkal költséghatékonyabb. Az adattárolásra sem érdemes kvantumszámítógépeket használni, mert bitjeik törékeny kvantumállapotai sokkal inkább ki vannak téve a zajnak, mint a hagyományos számítógépeknél.

Milyen területen és mire lehet használni ezeket a kvantumszámítógépeket?

Kvantumkémiai számítások gyorsítása tűnik az első alkalmazási területnek. A vegyipar és a gyógyszeripar számára is fontos a bonyolult kémiai reakciók elméleti megértése, mert ez elvezethet hatékonyabb gyártási folyamatokhoz, pl. energiatakarékosabb műtrágyagyártáshoz, vagy jobb gyógyszerek fejlesztéséhez. Könnyen érthető, hogy a kvantumos összefonódást használó kémiai reakciók modellezésére hasznos lehet egy olyan kvantumszámítógép, ami maga is képes a bitjeit kvantumosan összefont állapotba hozni. Arra a kérdésre, hogy mi mindenre lehet majd még használni a kvantumszámítógépeket, egyelőre nincs egyértelmű válasz, de ezen nagyon sokan törik a fejüket.

 

Miért fontos ez a program az Európai Uniónak?

Az OpenSuperQPlus forrást ad a széttagolt európai kvantumszámítógép-fejlesztői területnek, hogy összehangolják munkájukat, és így Európa ne maradjon le a kvantumszámítógépek építésében az USA és Kína mögött. A cél, hogy az európai kutatók együttműködésében 2026-ig épüljön egy 100 kvantumbites szupravezető-alapú kvantumszámítógép, és még ugyanabban az évtizedben egy 1000 kvantumbites gép is az egyetemi/kutatóintézeti szférában. Ezek ambiciózus célok ugyan, de a vezető amerikai kvantumszámítógépes cégek (IBM, Google) fejlesztési céljai ezeknél is bátrabbak.  Mindemellett hozzá kell tenni, hogy a fejlesztésbéli hátrány nemcsak az EU-USA viszonylatban érdekes, de az akadémiai szféra-versenyszféra viszonylatban is: ezért van az „open” a projekt címében, azaz nyílt tudományos fejlesztést kívánunk megvalósítani.

 

Hogyan kerültek kapcsolatba a szerveződő konzorciummal?

A BME, a Wigner Fizikai Kutatóközpont és az ELTE kvantuminformációval foglalkozó kutatói közösen dolgoznak a Nemzeti Kvantuminformatika Laboratóriumban, ezen a hálózaton keresztül jött az az ötlet, hogy elméleti oldalról bekapcsolódhatnánk az OpenSuperQPlus projektbe. Jó pillanatban írtunk a konzorciumot szervező vezető kutatónak, Frank Wilhelm-Mauchnak, kihasználva a már meglévő személyes kapcsolatokat. Ismerte kutatásainkat, a konzorcium számára is hasznosnak ítélte a részvételünket.

Lehet-e, és ha igen, hogyan hasznosítani ezeknek a nemzetközi projekteknek a tapasztalatát az oktatásban, illetve saját kutatásaikban? Hallgatókat is be lehet vonni a projektbe?

Igen, a projektben már most építünk a kutatásban aktív BME TTK-s fiatalokra: BSc-s, MSc-s és PhD-hallgatók is részt vesznek a munkában. A BME TTK-s kvantumfizikai és kvantumszámítógépes tárgyaink is sokat nyernek a kutatásból, a nemzetközi kutatói élvonallal való közvetlen kapcsolatok segítenek, hogy a karon naprakész és versenyképes tudást tudjunk a hallgatóknak átadni. 

 

A hallgatók közül kik vehetnek részt a projektben?

Vannak olyan tanítványaink, akik már eddig is a konzorciumban megjelölt célok felé haladtak, többek között ezért is tudnunk bekapcsolódni ebbe a munkába. Ezeknek a hallgatóknak a kutatását most egy picit áthangoljuk azért, hogy jobban részeivé váljanak a konzorciumi munkának. A projekt számukra automatikusan egy olyan felületet, fórumot ad, ahol bekapcsolódhatnak a teljesen élvonalbeli kutatásba, közvetlen kapcsolatokat alakíthatnak ki külföldi kutatókkal.

 

Elkezdődött már a közös munka? A projektben zajló kutatás várhatóan menyi idejüket veszi igénybe?

Március 1-jén elkezdődött a munka, és bár igaz, hogy az uniós adminisztráció malmai lassan őrölnek, ugyanis még nem írtuk alá a konzorciumi szerződést, de egy online nyitó megbeszélésen már túl vagyunk. Az ún. „kick-off meeting” május végén lesz, erre készülünk most, és felvettük a kapcsolatot azokkal, akik hozzánk hasonlóan elméleti oldalról kapcsolódnak be a munkába. Ennek a pályázatnak szenteljük majd a kutatási időnk jelentős részét, de - mint említettem - ez nem jelent olyan nagy változtatást, a saját kutatási témáink és a projekt céljai között nagy az átfedés.

    

A projekt keretében végzett kutatások szervesen kapcsolódnak a BME intenzív kvantumtechnológiai tudományos munkájához, melyek első sorban a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratóriumban folynak: a kutatók új típusú hibrid kvantumbit-architektúrákat, kvantumkommunikációs rendszereket, és ezekhez szükséges komponenseket, sőt kvantumalgoritmusokat és protokollokat fejlesztenek. A kvantumtechnológia megjelenik az oktatási tevékenységben is: a BME idén ősszel, hazánkban elsőként angol nyelvű fizikus-mérnök képzést indít, melynek keretében a hazai és külföldi hallgatók többek között a kvantumtechnológiai, illetve nanotechnológiai kutatás-fejlesztéshez szükséges tudást sajátíthatják el.

 

 

KJ-TZS

Fotó: Geberle B.