Gilyén András beszél a kvantumos szimulációról, amely már egy évtizeden belül is hozhat a klasszikus számítógépekkel elérhetetlen eredményeket.
Nem csak szakmai körökben keltett feltűnést, amikor Gilyén András és nemzetközi összetételű, neves amerikai és európai kutatókat felvonultató csapata bejutott az XPRIZE Quantum Applications elnevezésű globális versenyfelhívás hét döntőse közé, akiket 31 ország 133 csapata közül választott ki a szakmai zsűri. ( A Gibbs Samplers XPRIZE-döntős csapatát ezen a videón is ismerteti a csapatvezető Gilyén András – szerk.)
A HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont néhány munkatársát is tömörítő csoport már dolgozik a döntős helyezést követő végleges anyagukon, amelyet novemberig kell beadniuk, és közben az őket (is) kiválasztó zsűritől szakmai iránymutatást kapnak. Az végeredményt ugyan csak egy év múlva, 2027 tavaszán hirdetik ki, ám András folyamatosan vezet számos más kutatási projektet is: 2025-ben elnyert ERC pályázata a természet által inspirált véletlent használó kvantumos algoritmusok kutatására a 13. ERC projekt a Rényiben, nyertes Lendületes pályázata nyomán pedig a MTA-HUN-REN RI Lendület Kvantum-számítástudomány kutatócsoport élén dolgozik a „Markov-lánc és Monte-Carlo-módszerek kvantumos általánosításai” kutatási témán. Április végén a Kvantumtechnológia és Szuperszámítógép Platform (QSCP) gyűlésén a budapesti IBM székházában tartott szakmai előadást a kvantumalgoritmusok alkalmazási területeiről, április elején pedig a „Science Event Celebrating 10 years of QuSoft” tudományos rendezvényen ő volt az egyik plenáris előadó a kvantumkutatások iránt érdeklődő szakmai-üzleti közönség előtt. 
Utóbbi rendezvény a kvantumszoftver-kutatások évtizedes eredményeit sorakoztatta fel, és Andrásról a következő leírást adta:
Gilyén András a kvantumszámítástechnika kutatója, akinek nevéhez jelentős kvantumalgoritmus-technikák fejlesztése fűződik. Tevékenysége számos korszerű kvantumalgoritmus sokszínű építőköve. Kiemelten járult hozzá a kvantumszámítógépek hatékonysága növeléséhez komplex problémák megoldásában. Mindez központi jelentőségű a jövő generációs kvantumszoftverek fejlesztésében.
| A kvantumszámítással és algoritmuselmélettel foglalkozó Gilyén András 37 éves, 2019-ben doktorált az Amszterdami Egyetemen a kvantumszámítógépes algoritmusok elmélete területén. „Doktoranduszként együtt nőttem fel tudományos értelemben a mára világszinten elismert QuSoft kvantumszoftverekkel és -technológiával foglalkozó kutatóközponttal” – idézi vissza. (A központot a CWI (Hollandia Matematikai És Informatikai Kutatóközpontja) és az UvA (az Amszterdami Egyetem) alapította 2015-ben, és azóta kiváló kvantumszámítástechnikai és kvantuminformációs eredményeket ért el – szerk.). 2019-től két évet töltött posztdoktorként a Kaliforniai Műszaki Egyetemen (Caltech) |
„A kvantumszámítógépek hőskorát éljük. Hasonlóan a klasszikus számítógépek 50-es évekbeli első korszakához, amikor szobányi gépek voltak és csak egy-két, megfelelő tudású ember fért hozzájuk. Mindössze néhány specifikus problémát tudtunk velük vizsgálni. Ma még ugyanilyen távol áll a kvantumszámítógépek jelenlegi világa egy ipari szereplőtől vagy egy hétköznapi embertől. A kvantumszámítógép építése ma még jórészt alapkutatásnak nevezhető, de már nem a kezdeti fázisban vagyunk. Egy megbízhatóan működő prototípustól még 5-10 évre lehetünk” – összegzi a jelen helyzetet Gilyén András, a Rényi Valószínűségszámítás és Statisztika Osztályának tudományos munkatársa.
„Így mind a döntéshozók, mind a társadalom tagjai részéről növekvő érdeklődés tapasztalható aziránt, hogy milyen alkalmazások és milyen időtávon realizálhatók. Ezt próbálom szemléltetni előadásokban, és ez volt a célom a közelmúltban a QSCP gyűlésén is – folytatja –, és ahogy én látom, közelről szemlélve a kutatási területem fejlődését: 5-10 éven belül reális, hogy a kvantumszimuláció területén már lesznek olyan új képességeink, amelyekkel az emberiség számára gyakorlati relevanciával bíró problémákat meg tudunk oldani, és amelyeket ma semmilyen klasszikus számítógéppel nem tudunk megoldani. Ezt követően, kb. 10-15 éves távlatban várom azt, hogy a kriptográfiában áttörés következhet be a kvantumszámítógépekkel, így megvalósulhat a ma is széles körben elterjedt titkosítási eljárások feltörése, ami nyilván a titkosszolgálatoknál és a biztonsági szakembereknek lehet fontos, civilek számára elsőre negatív alkalmazásnak tűnhet, de ez is el fog érkezni. 15-20 év távlatában még szélesebb körű alkalmazások jelenhetnek meg. 50 év múlva pedig sok optimalizációs feladatban hasznos lehet kvantumtechnológia alkalmazása, ám ezekhez olyan mértékű technikai fejlődés szükséges, amely lehetővé teszi, hogy ezek az alkalmazások a mindennapjaink részeivé váljanak."
Eljuthatunk odáig, hogy nagy méretű, bonyolult és számításigényes optimalizációs problémák megoldásához az élet bármely területén kvantumszámítógépeket használunk.
A konkrét alkalmazásokat firtató kérdésre András elmondja:
„Nagyon sok olyan algoritmus van, amely bonyolult számításokat véletlen mintavételezéssel közelít meg. Ilyenkor minél több mintát veszünk, annál nagyobb a pontosság, és annál tisztább képet kapunk. A kvantumszámítógépek ezt a próbálkozási számot drasztikusan képesek csökkenteni. Egymillióról akár néhány ezerre, ami nagyobb számok esetében, mondjuk ezer milliárdnál pár milliót jelenthet, és ez nagyon komoly különbség. Pár évtizeden belül ez az effektus kiaknázhatóvá is válhat, mostani megítélésünk szerint elsősorban a gyógyszeriparban vagy az anyagtudományban használatosan, amikor egy specifikus tulajdonságokkal rendelkező molekulát vagy rácsszerkezetet kell megtalálni."
| A kvantum szó a fizikában azt jelenti: a lehető legkisebb egység, amelyben egy fizikai mennyiség előfordulhat. A természet ugyanis nem folytonosan, hanem kis „csomagokban” jelenik meg. Például a fény egyrészt hullám, másrészt apró energiacsomagokból, fotonokból áll, amelyek mindig egész „adagokban” jelennek meg. (Nem értelmezhető a „fél foton”.) Az energia nem tetszőleges mennyiségben cserélődik, hanem diszkrét egységekben. Ez az „adagnyi egység” maga a kvantum. A kvantummechanika elmélete alapozza meg a kvantumszámítógépek működését, azzal, hogy a klasszikus bitek helyett a kvantumfizika törvényeit használják az információ feldolgozására. Létrehozásuk ma még komoly technológiai kihívás. A kvantumszámítógépek igazi előnye, hogy újfajta műveleteket tesznek lehetővé, amelyek bizonyos problémák megoldására sokkal hatékonyabban használhatók. A klasszikus számítógépek és a kvantumszámítógépek közötti váltás egy valóban fundamentális technológiai ugrás lehet. |
„Nehéz még látni, hogy fél évszázadon belül mi lesz, mint ahogy a klasszikus számítógépeknek is sokkal kevesebb alkalmazását látták előre az 50-es években. Menet közben mutatkozott meg, hogy mire lesz jó, ugyanezt várjuk a kvantumszámítógépeknél is. A kvantumos szimuláció már egy évtizeden belül is hozhat olyan eredményeket, amelyek klasszikus számítógépekkel elérhetetlenek, és anyagtudományi, majd kvantumkémiai áttörésekhez vezethetnek. Bizonyos optimalizálási algoritmusok is ígéretesnek tűnnek, de ezen kívül egyelőre még nem látszik világosan más gyakorlati alkalmazás” – hívja fel a figyelmet a perspektívára és a korlátokra a Rényi kutatója, akinek Gibbs Samplers elnevezésű csapata történetesen egy kvantumszimulációs eljárás továbbfejlesztésén dolgozik, amely akár optimalizációs feladatokra is alkalmazható lehet. A céljuk, hogy létrehozzanak egy algoritmust anyagtudósoknak, amit anyagmodellezésre használnának. Ezzel rengeteg költséges tesztelést meg tudnak spórolni, mire megérkeznek az ideális tulajdonságú anyaghoz.
Gilyén András hozzáteszi: ha anyagtudományi kérdéseket akarunk megérteni, a kvantumszámítógép a rácsos térszerkezetű anyagok megértetésében lesz a leghatékonyabb, és ez nagyon izgalmas. Például a szupravezető anyagok fontosak erős elektromágnesek létrehozásához, akár fúziós erőműveknél, akár mágnesesen lebegő vonatoknál, de ezekkel az anyagokkal az a probléma, hogy csak nagyon hidegben bírnak ilyen tulajdonsággal. Még az ún. magas hőmérsékletű szupravezetőknél is az ember számára túl hidegről van szó. Van egy egyszerű anyagmodell, amit a szupravezető anyagok előképének tekintenek, és ezt nagyon nehéz szimulálni. A kvantumtechnológiák kutatói abban reménykednek, hogy ha ezt sikerül jobban szimulálni, az elvezethet a magas hőmérsékletű szupravezetők jobb megértéséhez, vagy akár találunk még magasabb –a szobahőmérséklethez közeli – hőmérsékletű szupravezetőt, ha egyáltalán létezik ilyen. Ehhez a kvantumszimuláció hatékony eszköz lehet.
Ez klasszikus felfedező kutatás, hasonló például ahhoz, mint amikor a forradalmian új pásztázó elektronmikroszkóp rengeteg új tudományos felfedezésre adott esélyt, hiszen olyan részletességgel láttunk vele egy anyagszerkezetet, mint addig semmi mással. Ez aztán számtalan új alkalmazásnak is megágyazott. A kvantumszámítás is egy új eszköz, amelynek segítségével számtalan kérdés megválaszolhatóvá válik, és szerteágazó alkalmazások valósulhatnak meg, többek között akár a magas hőmérsékletű szupravezetés kapcsán.
„A jövő technológiáját kutatom, ami ugyan már a kézzelfogható megvalósulás küszöbén áll, de ma még nem tudjuk alkalmazni, mert nincs hozzá elég jó hardver. Reméljük 5-10 éven belül lesz. Szó szerint az emberi tudás határait feszegetjük (mint az a határtudományoknál jellemző). Nem tudjuk még kipróbálni azt, amit kitalálunk, mert még nem tartunk ott. De nagyon sok lehetőséget látnak a kvantumtechnológiák széles körű alkalmazásában, jogosan, hiszen technológiai áttörés is lehetséges.”
Nem véletlen, hogy a három éven át tartó, a Google által is szponzorált, ötmillió dolláros (1,6 milliárd forintos) összdíjazású verseny döntős résztvevői mind új, illetve továbbfejlesztett algoritmusokon dolgoznak, amelyek kézzelfogható alkalmazásokat hoznak közelebb a megvalósíthatósághoz. Hogyan használjuk majd a kvantumszámítógépeket? címmel ITT olvasható Gilyén András cikke a Fizikai Szemle 2026/1 számában.
Összegzésként elmondható, hogy a jövőben több specifikus számítási problémában elengedhetetlenné válik a kvantumszámítógépek használata, ugyanakkor a megbízható kvantumszámítógépek megépítése óriási feladat. Valószínűleg sok fontos alkalmazás a kvantumszámítógépek megjelenésével karöltve alakul majd ki, mint ahogyan a klasszikus számítógépek ekkora térnyerését sem lehetett előre jósolni azok hőskorában.