„Ezzel az algoritmussal olyasmit láthatunk majd, amit még soha senki” – magyar siker egy nemzetközi kvantumversenyen

Magyar kvantumsiker: Gilyén András és csapata bejutottak az XPRIZE Quantum Applications nevű verseny hét döntőse közé. A három éven át tartó, a Google által is szponzorált, ötmillió dolláros (1,6 milliárd forintos) összdíjazású verseny résztvevői mind új, illetve továbbfejlesztett algoritmusokon dolgoznak, amik kézzelfogható alkalmazásokat hoznak közelebb a megvalósíthatósághoz. A hét döntős között három amerikai, egy kanadai, egy brit, egy svájci és egy magyar székhelyű csapat van, ez utóbbi Gilyén Gibbs Samplers nevű, amúgy nemzetközi összetételű csapata.

A Google közleménye szerint 133 csapat nevezett a versenyre, ezt a kört szűkítették hétre a döntőre, mert ezek a csapatok dolgoznak olyan úttörő kvantumalgoritmusokon, amik lekörözhetik a hagyományos számítógépeket valós problémák megoldásában. A hét döntős között szétosztanak egymillió dollárt, a maradék négymilliót pedig majd a végső eredményhirdetéskor adják át.

„A világon sok techcég és kutatóintézet elég jó eredményeket ért el a kvantumszámítógép hardvereinek fejlesztésében, és belátható távolságba került az, hogy öt-tíz éven belül elkészüljön olyan kvantumszámítógép, ami ténylegesen már értelmes problémákat is meg tud oldani. Ez ismét ráirányította a figyelmet arra, hogy nem igazán tudjuk, mik azok az alkalmazások, amikre leginkább hasznos lesz” – magyarázta a Telexnek Gilyén András, a HUN-REN Rényi Alfréd Matematikai Kutatóintézet kutatója.

Mivel ez erősen a jövő felé tekintő verseny, nem az a cél (bár persze nem is lenne hátrány), hogy a pályamunka már holnap élesben bevethető legyen, és hibátlanul működjön, hanem az, hogy belátható időn, mondjuk öt-tíz éven belül reálisan futtatható legyen egy kvantumszámítógépen. Persze minél nagyobb áttörést eredményezne a projekt megvalósulása, annál hosszabb időtávot is elfogadhat a zsűri, ha az eredményért érdemes pár évvel többet várni.

„A mi javaslatunk egy újfajta kvantumszimulációs módszer és annak a továbbfejlesztése. Ez termodinamikai jelenségek és állapotok szimulálására alkalmas, de a kvantumos tartományban. Ennek dolgoztuk ki egy-két részletét, és még tovább szeretnénk fejleszteni a javaslatunkat”

– mondta Gilyén.

Bár elsőre talán furának tűnhet, hogy egyelőre egy-két részlet van meg, azért ennél összetettebb a dolog. A módszer körvonalait kutatók már tizenöt éve pedzegették, de eddig nem igazán működött úgy, ahogy azt szerették volna. Gilyénék javaslatában elméleti szinten már jól működne a dolog, de jó lenne megnézni, hogy a gyakorlatban is beválik-e. Itt az ideje kidolgozni a gyakorlati, megvalósítási részt, például azt, hogy mekkora futási időre, milyen hardverre vagy hány qubitre – a kvantumszámítógépek alapegységére – van szükség.

Az algoritmust a klasszikus, véletlent használó algoritmusok inspirálták, mint például a Monte-Carlo-mintavételezés, amit a számítástechnika kezdetei óta széles körben használnak nagy teljesítményű számításokhoz. Gilyénék algoritmusának újdonsága az, hogy ötvözi a véletlen lépések ügyes felderítő mozgását a kvantumszámítógépek adta lehetőségekkel. A céljuk az, hogy létrehozzanak egy algoritmust anyagtudósoknak, amit anyagmodellezésre használnának. Ezzel például elméleti, de a valósághoz közeli szupravezető modelleket tudnának vizsgálni, amik megértése sokat segíthet a valódi szupravezetők és egyéb egzotikus anyagok fejlesztésében.

Gilyén hasonlatnak hozta a versenyautók fejlesztését: mielőtt a tervezőmérnökök akár két csavart is egymás mellé raknának, először numerikusan leszimulálják, hogy terveik várhatóan hogyan teljesítenének, és csak utána építik meg a prototípust, hogy teszteljék mondjuk egy szélcsatornában. Ezzel rengeteg költséges tesztelést meg tudnak spórolni, mire megérkeznek az ideális modellhez.

A döntőbe kerülés nem azt jelenti, hogy hamarosan kiderül, ki nyerte a versenyt: a csapatok most kapnak egy javaslatcsomagot a szaktekintélyekből álló, globális zsűripaneltől, hogy mire kéne koncentrálni, és 2026 novemberéig kell leadniuk a végső pályamunkájukat. Ezeket persze nem két perc lesz átnézni, ezért az eredményhirdetés 2027 tavaszán várható.

A jó tudás jókor, jó helyen

Gilyén 2022 tavaszán egy konferencia miatt a kaliforniai Caltech egyetemre látogatott, és későbbi társszerzőivel ekkor kezdtek el együtt foglalkozni a projektjük alapjául szolgáló elvvel, megközelítéssel, bár akkor még csak ötletelés szintjén. Megvizsgálták, miről is szólt pontosan az a korábbi tanulmány, ami a Nature-ben jelent meg több mint tíz évvel korábban, és egy fontos Monte-Carlo-algoritmus kvantumos általánosítását javasolta.

„Amikor azt elkezdtük boncolgatni, láttuk, hogy nem működik olyan jól, akkor kezdtünk el azon gondolkodni, hogy hogyan fejlesszük tovább. Ezután állt össze nagyon szépen a kép. Sok ilyen »aha!« élményünk volt”

– mesélte.

A csapat Gilyén szerint szerencsésen állt össze: az elmúlt években, évtizedben sok újítás látott napvilágot a kvantumfizika, kvantuminformatika területén, és a csapat tagjai ezeket pont jó kombinációban szedték össze, így mikor összeálltak, kiegészítették egymás tudását. Gilyén korábban posztdoktori ösztöndíjasként a Caltechen kutatott, és akkori mentora mutatta be egy rendkívül tehetséges diáknak, aki egészen új, de inkább elméleti oldalról közelítette meg ezt a kérdéskört, míg Gilyén az algoritmusoldalról érkezett, és jól össze tudták gyúrni a kettőt. Végül a csapat 2025 októberében publikálta az új kvantumszimulációs módszert a Nature-ben – pont abban a rangos szaklapban, ahol a kiindulópontjukként szolgáló tanulmány is megjelent közel tizenöt évvel korábban.

A hosszú távú terv természetesen az, hogy az algoritmust éles körülmények között is bevethessék. A kutató szerint ehhez azonban a napjainkban elérhetőnél sokkal kevésbé zajos qubitek kifejlesztésére van szükség. Egy lényegében zajmentes logikai qubit több száz vagy ezer jó fizikai qubit szoros együttműködése révén hozható létre – ennek megvalósításáról némi optimizmussal el tudja képzelni, hogy a 2030-as évekig akár még össze is jöhet. Utána már csak – és itt a csak erősen húzott idézőjelek között értendő – arra van szükség, hogy ilyen logikai qubitekből legyen mondjuk pár száz.

„Ezzel már olyan tartományban lehet ezt az algoritmust futtatni, ahol olyan dolgokat látunk, amiket senki nem látott még korábban”

– magyarázta Gilyén András.