MICHIO KAKU KORÁBBAN MEGJELENT KÖNYVEI

Isten egyenlete

Az emberiség jövője

Az elme jövője

A jövő fizikája

A lehetetlen fizikája

Párhuzamos világok

Hipertér

Einstein kozmosza

MAGYARUL MEG NEM JELENT KÖNYVEI

Visions

Beyond Einstein

A fordítás az alábbi kiadás alapján készült:

Michio Kaku

Quantum Supremacy

Doubleday, New York, 2023

Fordította: Dr. Both Előd

Lektorálta: Horvai Ferenc

Copyright © 2023 by Michio Kaku

Hungarian translation © Dr. Both Előd, 2024

Hungarian edition © Akkord Kiadó, 2024

Minden jog fenntartva. A könyv bármely részletének közléséhez a kiadó előzetes hozzájárulása szükséges.

Kiadja az Akkord Könyvkiadó

Felelős kiadó: Földes Tamás

Felelős szerkesztő: Várlaki Tibor

Szerkesztő: Oláh Judit

Borítóterv: Szabó Vince

Tördelő: Schwarczenberger Helga

Korrektor: Kalocsai Judit

ISBN 978-963-252-247-0

gabo.hu

facebook.com/GABOKIADO

instagram.com/gabo_kiado

Az Akkord Kiadó e-könyveinek kizárólagos terjesztője a DiBookSale Zrt.

Elektronikus verzió v1.0

Szerető feleségemnek, Shizue-nak és lányaimnak, dr. Michelle Kakunak és Alyson Kakunak

TARTALOM

I. rész: A kvantumszámítógépek felemelkedése

1. A szilícium korának vége

2. A digitális kor vége

3. A kvantum felemelkedése

4. A kvantumszámítógépek hajnala

5. Indul a verseny

II. rész: A kvantumszámítógépek és a társadalom

6. Az élet eredete

7. A világ kizöldítése

8. A világ népességének élelmezése

9. A világ energiaellátása

III. rész: Kvantumgyógyászat

10. Kvantumegészség

11. Génszerkesztés és a rák gyógyítása

12. Mesterséges intelligencia és a kvantumszámítógépek

13. Halhatatlanság

IV. rész: A világ és az univerzum modellezése

14. Globális felmelegedés

15. Lombikba zárjuk a Napot

16. Az univerzum szimulálása

17. Egy nap 2050-ben

Epilógus Kvantumrejtélyek

Köszönetnyilvánítás

Jegyzetek

Válogatott irodalom

A GABO Kiadó e-könyveiről

Ha tetszett a könyv, olvassa el ezt is

I. RÉSZ

A KVANTUMSZÁMÍTÓGÉPEK FELEMELKEDÉSE

1. FEJEZET

A SZILÍCIUM KORÁNAK VÉGE

Küszöbön a forradalom.

2019-ben és 2020-ban két robbanás rázta meg a tudomány világát. Két kutatócsoport is bejelentette, hogy elérték a kvantumfölényt, azt a mesés pontot, ahol egy radikálisan új típusú számítógép, az úgynevezett kvantumszámítógép, bizonyos feladatokban határozottan felülmúlhatja a közönséges digitális szuperszámítógépeket. Ez olyan zűrzavart okozott, amely feje tetejére állíthatja a számítástechnika egész világát, és sok vonatkozásban felboríthatja mindennapi életünket.

Először is, a Google nyilvánosságra hozta, hogy Sycamore nevű kvantumprocesszoruk 200 másodperc alatt képes volt megbirkózni egy olyan matematikai problémával, amelynek megoldása a világ leggyorsabb szuperszámítógépén 10 000 évig tartana. Az MIT Technology Review szerint a Google ezt hatalmas áttörésnek nevezte: a Szputnyik indításához vagy a Wright fivérek első repüléséhez hasonlították. Ez volt „a küszöb a gépek új korszakához, amelynek átlépése napjaink leghatalmasabb számítógépét abakusszá fogja degradálni”.1

Később, a Kínai Tudományos Akadémia Kvantuminnovációs Intézete még tovább ment. Azt állították, hogy kvantumszámítógépük 100 billiószor gyorsabb bármely közönséges szuperszámítógépnél.

Bob Sutor, az IBM alelnöke a kvantumszámítógépek rohamos térnyerését kommentálva határozottan kijelentette: „Szerintem ez lesz az évszázad legfontosabb számítógépes technológiája.”2

A kvantumszámítógépeket a „végső számítógépnek” nevezik, mert döntő technológiaugrást jelentenek, és megjelenésük mélyreható következményekkel jár egész világunkra nézve. Ahelyett, hogy apró tranzisztorok végeznék a műveleteket, a kvantumszámítógépek a lehető legapróbb objektumokon, magukon az atomokon számolnak, így könnyen felülmúlhatják legnagyobb szuperszámítógépünk teljesítményét. A kvantumszámítógépek teljesen új korszakot nyithatnak meg a gazdaság, a társadalom és életmódunk számára.

A kvantumszámítógépek azonban többet jelentenek egy újabb, nagy teljesítményű számítógépnél. Ezek merőben új típusú számítógépek, amelyek olyan problémákkal is képesek megbirkózni, amelyeket a digitális számítógépek soha nem tudnak megoldani, még végtelenül hosszú idő alatt sem. A digitális számítógépek például soha nem tudják pontosan kiszámítani, hogyan egyesülnek az atomok a döntő fontosságú kémiai reakciók létrejöttéhez, ami különösen igaz az életet lehetővé tevő kémiai reakciókra. A digitális számítógépek csak digitális alapon tudnak számolni, amihez 0-k és 1-esek sorozatait használják, ez viszont túlságosan durva felbontás ahhoz, hogy leírják a molekulák mélyén táncoló elektronok finom hullámait. Ha például egy labirintusban az egér által megtehető utakat kell végigszámolnia, a digitális számítógépnek keserves munkával egymás után elemeznie kell az egyes lehetséges útvonalakat. A kvantumszámítógép azonban az összes lehetséges utat egyszerre, villámgyorsan elemzi.

Ez viszont intenzív rivalizálást indított el az egymással versengő számítógép-fejlesztő óriások között, amelyek mindegyikének az a célja, hogy megalkossa a világ legerősebb kvantumszámítógépét. 2021-ben az IBM bemutatta saját kvantumszámítógépét, az Eagle-t, amely átvette a vezetést, mert az összes korábbi modellnél nagyobb a számítási teljesítménye.

Ezek a rekordok azonban tünékenyek – csak azért vannak, hogy megdöntsék őket.

Tekintettel a számítógépes forradalom mélyreható következményeire, nem meglepő, hogy a világ vezető vállalatai közül több is jelentős összeget fektetett be ebbe az új technológiába. A Google, a Microsoft, az Intel, az IBM, a Rigetti és a Honeywell mindegyike saját kvantumszámítógépe prototípusát fejleszti. A Szilícium-völgy vezetői felismerték, hogy lépést kell tartaniuk ezzel a forradalommal, máskülönben végérvényesen lemaradnak a versenyben.

Az IBM, a Honeywell és a Rigetti Computing feltette első generációs kvantumszámítógépeiket az internetre, hogy felkeltsék a kíváncsi közönség étvágyát, és az emberek közvetlenül megismerkedhessenek a kvantum-számítástechnikával. Ezt az új kvantumforradalmat bárki személyesen is megtapasztalhatja, ha csatlakozik az interneten egy kvantumszámítógéphez. Például a 2016-ban elindított „IBM Q Experience” online platform tizenöt kvantumszámítógépet tesz ingyenesen elérhetővé az interneten keresztül a nyilvánosság számára. A Samsung és a JPMorgan Chase is a felhasználóik közé tartozik. Már most is havonta kb. 2000 ember használja a szolgáltatást, az iskolásoktól a professzorokig.

A Wall Street is komoly érdeklődést mutatott az új technológia iránt. Az IonQ volt az első nagy kvantum-számítógépes vállalat, amely megjelent a tőzsdén, és 2021-es tőzsdei bevezetése óta tőzsdei értéke 600 millió dollárra nőtt. A rivalizálás hevességét még ennél is megdöbbentőbben mutatja az a tény, hogy egy új induló vállalkozás, a PsiQuantum értéke kereskedelmi prototípus vagy bármilyen más előzmény nélkül a Wall Streeten hirtelen 3,1 milliárd dollárra emelkedett, és szinte egyik napról a másikra 665 millió dolláros finanszírozást tudott szerezni. Üzleti elemzők elmondták, hogy ritkán láttak ehhez hasonlót, egy olyan új céget, amely a lázas spekulációk és a szenzációs szalagcímek hullámait meglovagolva, ilyen magasságokba tudott emelkedni.

A Deloitte tanácsadó és könyvelő cég becslései szerint a kvantumszámítógépek piaca a 2020-as években elérheti a több százmillió dollárt, a 2030-as években pedig a több tízmilliárd dollárt. Senki sem tudja, hogy a kvantumszámítógépek mikor lépnek be a kereskedelmi piacra, és változtatják meg a gazdasági környezetet, de az előrejelzéseket folyamatosan felülvizsgálják, hogy megfeleljenek a tudományos felfedezések példátlan sebességű növekedésének ezen a területen. Christopher Savoie, a Zapata Computing vezérigazgatója a kvantumszámítógépek viharos sebességű térnyeréséről azt mondja: „Már nem az a kérdés, hogy ez bekövetkezik-e, hanem az, hogy mikor.”3

Még az Egyesült Államok Kongresszusa is kifejezte érdeklődését az új kvantumtechnológia iránt. Felismerve, hogy más nemzetek már bőkezűen finanszírozzák a kvantumszámítógépekkel kapcsolatos kutatásokat, 2018 decemberében a Kongresszus elfogadta a Nemzeti Kvantumkezdeményezési Törvényt, hogy induló tőkét biztosítsanak az új kutatások elindításához. A törvény 2–5 új Nemzeti Kvantuminformációs Tudományos Kutatóközpont megalakítását írja elő, amelyeket évente 80 millió dollárral finanszíroznak.

2021-ben az Egyesült Államok kormánya azt is bejelentette, hogy 625 millió dollárt fektetnek be a kvantumtechnológiákba, amit az Energiaügyi Minisztérium felügyel. Az olyan óriásvállalatok, mint a Microsoft, az IBM és a Lockheed Martin, további 340 millió dollárral járultak hozzá a projekthez.

Nem Kína és az Egyesült Államok az egyetlen, amely állami forrásokat használ fel a technológia fejlődésének felgyorsítására. Az Egyesült Királyság kormánya jelenleg építi az oxfordshire-i Tudományos és Technológiai Létesítmények Tanácsa harwelli laboratóriumában a Nemzeti Kvantumszámítási Központot, amely a kvantumszámítási kutatások központjaként szolgál majd. A kormány ösztönzésével 2019 végéig harminc, kvantumszámítógépekkel foglalkozó induló vállalkozást alapítottak az Egyesült Királyságban.

Iparági elemzők elismerik, hogy ez egy billiódolláros szerencsejáték. Semmire sincs garancia ezen a rendkívül versenyképes területen. A Google és mások által az elmúlt években elért lenyűgöző technikai vívmányok ellenére még sok évnek kell eltelnie, mire elkészül egy működőképes kvantumszámítógép, amely képes megoldani a világ tényleges problémáit. Kemény munka áll még előttünk. Sőt egyes kritikusok azt állítják, hogy talán csak légvár az egész. A számítástechnikai cégek azonban felismerték, hogy ha nem vetik meg a lábukat a területen, akkor végérvényesen lemaradhatnak.

Ivan Ostojic, a McKinsey tanácsadó cég egyik partnere szerint: „Azokban az iparágakban működő vállalatoknak, ahol a kvantumtechnológia vélhetően a legnagyobb felfordulást okozza, már most foglalkozniuk kell a kvantumokkal.”4 Az olyan területek, mint a kémia, az orvostudomány, az olaj- és gázipar, a szállítás, a logisztika, a bankszektor, a gyógyszeripar és a kiberbiztonság, megérettek a jelentős változásokra. Hozzáteszi: „Elvileg a kvantum minden informatikai igazgató számára releváns lesz, mivel felgyorsítja a problémák széles körének megoldását. Ezeknek a vállalatoknak a kvantumos képességek birtokosaivá kell válniuk.”

Vern Brownell, a D-Wave Systems, egy kanadai kvantumszámítási vállalat korábbi vezérigazgatója megjegyzi: „Úgy gondoljuk, most érkeztünk el azon képességek küszöbére, amelyeket a klasszikus számítástechnikával nem lehet elérni.”

Sok tudós úgy véli, hogy teljesen új korszakba lépünk, amelynek hullámai hasonlóak azokhoz, amelyeket a tranzisztor és a mikrochip bevezetése keltett. A számítógépek gyártásával közvetlen kapcsolatban nem álló vállalatok, mint például a Mercedes-Benzt birtokló Daimler autóipari óriás, már beruháznak ebbe az új technológiába, mert érzékelik, hogy a kvantumszámítógépek saját iparágaikban is új fejlesztések felé nyithatnak utat. Julius Marcea, a rivális BMW egyik vezetője a következőket írta: „Izgatottan várjuk, hogy megvizsgáljuk, miként képes a kvantum-számítástechnika átalakítani az autóipart, ezért elkötelezettek vagyunk a mérnöki munka határainak kiterjesztése mellett.”5 Más nagyvállalatok, például a Volkswagen és az Airbus saját kvantumszámítási részlegeket hoztak létre, hogy feltárják, hogyan forradalmasíthatja az új technológia saját üzleti lehetőségeiket.

A gyógyszergyárak is feszülten figyelik az ezen a területen zajló fejleményeket, mert felismerték, hogy a kvantumszámítógépek képesek lehetnek a bonyolult kémiai és biológiai folyamatok szimulálására, ami messze meghaladja a digitális számítógépek képességeit. A gyógyszerek millióinak tesztelésére szolgáló hatalmas létesítményeket egy napon felválthatják a „virtuális laboratóriumok”, amelyek a kibertérben tesztelik a gyógyszereket. Egyesek attól tartottak, hogy ez valamikor talán fölöslegessé teheti a vegyészek munkáját. Derek Lowe azonban, aki blogot vezet a gyógyszerkutatásról, azt állítja: „Nem arról van szó, hogy a gépek helyettesítik a vegyészeket. Arról van szó, hogy a gépeket használó vegyészek kiszorítják azokat, akik nem alkalmazzák az új technológiát.”6

Az adatok óriási tömegének kezelésére ma már kvantumszámítógépeket használ a Genf mellett működő nagy hadronütköztető is, a világ legnagyobb tudományos berendezése, amely 14 billió elektronvolt energiával ütközteti egymással a protonokat, hogy a korai univerzumban uralkodóhoz hasonló feltételeket teremtsen. Az ott dolgozó kvantumszámítógépek másodpercenként akár egybillió bájtot is képesek elemezni. Ezt az adatmennyiséget körülbelül egymilliárd részecskeütközés generálja. Talán egy napon az univerzum létrejöttének titkait is a kvantumszámítógépek fejtik meg.

Kvantumfölény

Amikor John Preskill, a Kaliforniai Műszaki Egyetem fizikusa 2012-ben megalkotta a „kvantumfölény” kifejezést, sok tudós csak csóválta a fejét. Évtizedekbe, ha nem évszázadokba telhet, gondolták, mire a kvantumszámítógépek felülmúlják a digitális számítógépeket. Végtére is a szilíciumchipek helyett az egyes atomokkal végzett számításokat pokolian nehéznek tartották. A legkisebb rezgés vagy zaj megzavarhatja az atomok finom táncát a kvantumszámítógépben. Ám a kvantumfölény eléréséről szóló, lenyűgöző bejelentések mostanra szertefoszlatták az ellenzők komor aggályait. Ma már inkább amiatt aggódnak, milyen gyorsan fejlődik a terület.

A figyelemre méltó eredmények keltette rengések világszerte megrázták a tanácstermeket és a szigorúan titkos hírszerző ügynökségeket is. A leleplezők által kiszivárogtatott dokumentumok tanúsága szerint a CIA és a Nemzetbiztonsági Ügynökség szorosan követi a fejleményeket ezen a területen. Ennek az az oka, hogy teljesítőképességüknek köszönhetően a kvantumszámítógépek elvileg az összes ismert kiberkódot feltörhetik. Ez azt jelenti, hogy sebezhetővé válnak a támadásoknak kitett információk, így a kormányok által gondosan őrzött, a legérzékenyebb információikat tartalmazó titkok, akárcsak a vállalatok, sőt magánszemélyek legféltettebb titkai. A helyzet sürgető, amit az is bizonyít, hogy az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete (NIST, National Institute of Standards and Technology), amely meghatározza a nemzeti politikát és a szabványokat, nemrégiben iránymutatásokat adott ki, hogy segítsen a nagyvállalatoknak és ügynökségeknek megtervezni az elkerülhetetlen átmenetet az új korszakba. Amint a NIST bejelentette, arra számítanak, hogy 2029-re a kvantumszámítógépek képesek lesznek feltörni a 128 bites AES-titkosítást (Advanced Encryption Standard), amelyet sok vállalat használ.

A Forbes magazinban Ali El Kaafarani megjegyzi: „Ez elég félelmetes lehetőség minden olyan szervezet számára, amelynél az érzékeny információkat védeni kell.”7

A kínaiak 10 milliárd dollárt költöttek Nemzeti Kvantuminformatikai Laboratóriumuk létrehozására, mert elhatározták, hogy vezető szerepet kívánnak betölteni ezen a létfontosságú, gyorsan változó területen. A különböző országok tízmilliárdokat költenek arra, hogy féltve őrizzék ezeket a kódokat. Egy kvantumszámítógéppel felfegyverkezett hacker vélhetően a világ bármely digitális számítógépébe be tud hatolni, miáltal károkat okozhat az ipar, sőt a hadsereg számára is. Minden érzékeny információ elérhetővé válhat annak, aki a legtöbbet kínálja érte. A Wall Street belső szentélyébe behatoló kvantumszámítógépek a pénzügyi piacokon is zűrzavart okozhatnak. A kvantumszámítógépek megszakíthatják a blokkláncot is, ami a bitcoin piacán okozna pusztítást. A Deloitte becslése szerint a bitcoinok körülbelül 25 százaléka potenciálisan sebezhető és kvantumszámítógéppel feltörhető.

„A futó blokkláncprojektek részéről valószínűleg idegesen fogják figyelni a kvantum-számítástechnika fejlődését”, zárul a CB Insights, egy adatszoftverekkel foglalkozó informatikai cég jelentése.8

Tehát nem másról van szó, mint a világgazdaság egészéről, amely erősen kötődik a digitális technológiához. A Wall Street-i bankok számítógépeket használnak a több milliárd dolláros tranzakciók nyomonkövetésére. A mérnökök számítógépek segítségével terveznek felhőkarcolókat, hidakat és rakétákat. A művészek számítógépekkel készítenek animációkat a hollywoodi kasszasikerekhez. A gyógyszergyárak számítógépeket használnak következő csodaszerük kifejlesztéséhez. A gyerekek a számítógépekre hagyatkoznak, hogy a legújabb videójátékokkal játszhassanak barátaikkal. Alapvetően függünk a mobiltelefonoktól, hogy azonnali híreket kapjunk barátainktól, munkatársainktól és rokonainktól. Mindannyiunknak volt már olyan tapasztalata, hogy pánikba esünk, amikor nem találjuk a mobiltelefonunkat. Valójában rendkívül nehéz lenne megnevezni akár csak egyetlen olyan emberi tevékenységet, amelyet a számítógép ne állított volna feje tetejére. Annyira függünk tőlük, hogy ha valamilyen okból a világ összes számítógépe hirtelen leállna, a civilizáció káoszba fulladna. Ezért követik a tudósok fokozott figyelemmel a kvantumszámítógépek fejlődését.

A Moore-törvény vége

Mi okozza ezt a zűrzavart és a kérdésről folyó vitát?

A kvantumszámítógépek térnyerése annak a jele, hogy a szilícium korszaka fokozatosan a vége felé közeledik. Az elmúlt fél évszázadban a számítógép teljesítményének robbanásszerű növekedését Moore törvénye írja le, amely Gordon Moore-ról, az Intel alapítójáról kapta a nevét. Moore törvénye kimondja, hogy a számítógépek teljesítménye kétévenként megduplázódik. Ez a megtévesztően egyszerű törvény a számítógépek teljesítményének figyelemre méltó, exponenciális növekedését írja le, amire az emberiség történelmében nem volt példa. Nincs még egy olyan találmány, amelynek ilyen rövid idő alatt ennyire átható hatása lett volna.

A számítógépek – történelmük során – számos fejlődési szakaszon mentek keresztül, minden ilyen szakaszban jelentősen megnőtt a teljesítőképességük, és jelentős társadalmi változásokat okoztak. Moore törvénye valójában egészen az 1800-as évekig, a mechanikus számítógépek koráig kiterjeszthető. Akkoriban a mérnökök forgó hengereket, fogaskerekeket, rudazatokat és kerekeket használtak az egyszerű aritmetikai műveletek elvégzésére. A múlt század fordulóján a számológépek elektromosságot kezdtek használni, a fogaskerekeket pedig relékkel és kábelekkel helyettesítették. A második világháború idején a számítógépek vákuumcsövek széles skáláját használták fel a titkos kormányzati kódok feltörésére. A háború utáni korszakban a vákuumcsövekről átálltak a tranzisztorokra, amelyeket mikroszkopikus méretűre lehetett kicsinyíteni, megkönnyítve a sebesség és a teljesítmény folyamatos növekedését.

Az 1950-es években a nagy számítógépeket csak nagyvállalatok és kormányzati szervek, például a Pentagon, valamint a nemzetközi bankok vásárolhatták meg. Nagy teljesítményűek voltak (például az ENIAC harminc másodperc alatt elvégezte azt, ami egy embernek húsz órába telt). Ezek a gépek azonban nemcsak drágák, hanem terjedelmesek is voltak, gyakran egy irodaház egész emeletét elfoglalták. A folyamatot a mikrochip feltalálása forradalmasította, mert az eszköz mérete az évtizedek során egyre csökkent, így ma már egy tipikus, körömnyi méretű chip körülbelül egymilliárd tranzisztort tartalmazhat. Napjainkban a gyerekek által videójátékokhoz használt mobiltelefonok nagyobb teljesítményűek, mint a Pentagon által egykor használt őskövületek. Természetesnek tartjuk, hogy a zsebünkben lévő mobiltelefon teljesítménye meghaladja a hidegháború idején használt számítógépekét.

Mindennek passzolnia kellett. A kreatív pusztulás folyamatában a számítógép fejlődésének minden egyes lépcsőfoka elavulttá tette a korábbi technológiát. A fejlődés Moore-törvény szerinti üteme ma már lassul, és végül leállhat. Ennek az az oka, hogy a mikrochipek olyan kompaktak, hogy a tranzisztorok legvékonyabb rétege körülbelül húsz atom átmérőjű. Amikor elérik az öt atom átmérőt, az elektronok helye bizonytalanná válik, ezért elszivároghatnak, és rövidzárlatot okozhatnak a chipben, vagy annyi hőt termelnek, hogy a chipek megolvadnak. Más szóval, a fizika törvényei szerint Moore törvényének végül érvényét kell veszítenie, feltéve, hogy továbbra is elsősorban szilíciumot használunk. Tanúi lehetünk a szilíciumkorszak végének. A következő ugrás a szilícium utáni kor, vagyis a kvantumkorszak lehet.

Ahogy az Intel munkatársa, Sanjay Natarajan megfogalmazta: „Úgy gondoljuk, mindazt kifacsartuk, amit ebből az architektúrából ki lehetett préselni.”9

A Szilícium-völgy végső soron a következő rozsdaövezetté válhat.

Bár a helyzet most nyugodtnak tűnik, előbb-utóbb felvirrad ez az új jövő. Ahogy Hartmut Neven, a Google mesterségesintelligencia-laboratóriumának igazgatója mondja: „Úgy tűnik, sokáig semmi sem történik, aztán még mindig semmi sem történik, majd hopp, hirtelen egy másik világba kerültünk.”10

Miért olyan erősek?

Mitől olyan nagy teljesítőképességűek a kvantumszámítógépek, hogy a világ nemzetei rohannak elsajátítani ezt az új technológiát?

Lényegében minden modern számítógép működése digitális információkon alapul, amelyek 0-k és 1-esek sorozataiba kódolhatók. Az információ legkisebb egységét, az egyetlen számjegyet bitnek nevezzük. A 0-k és 1-esek ezen sorozata a digitális processzorba kerül, amely elvégzi a számítást, majd előállítja a kimenő adatot, a számítás eredményét. Például az internetkapcsolat minőségét bit per másodpercben (bps, bits per second) mérik, ami azt jelenti, hogy 1 Gbps (1 gigabit másodpercenként) sebességű internetkapcsolat esetén másodpercenként egymilliárd bit érkezik a számítógépünkre, ami azonnali hozzáférést biztosít a filmekhez, e-mailekhez, dokumentumokhoz stb.

A későbbi Nobel-díjas Richard Feynman 1959-ben másként közelítette meg a digitális információkat. Jövőbe látó, úttörő jelentőségű, „Rengeteg hely van a mélyben” („There’s Plenty of Room at the Bottom”) című tanulmányában és az azt követő cikkeiben, azt kérdezte: „Miért nem váltjuk fel a 0-knak és 1-eseknek ezeket a sorozatait az atomok állapotaival, amivel atomszámítógépet készíthetünk? Miért nem helyettesítjük a tranzisztorokat a lehető legkisebb objektumokkal, az atomokkal?”

Az atomokat önmaguk tengelye körül forgó golyóknak is elképzelhetjük, forgástengelyük, az úgynevezett spinjük mágneses térben a mágneses térhez igazodik. Saját mágneses terük a külső mágneses térrel egyező, vagy azzal ellentétes irányban állhat: ezt 0-nak vagy 1-nek feleltetjük meg. A digitális számítógép teljesítménye az állapotok (a 0-k vagy 1-esek) számától függ.

A szubatomi világ furcsa szabályainak köszönhetően azonban az atomok spinje a két irány bármilyen kombinációja is lehet. Például lehet olyan állapot, amelyben az atom spinje az idő 10 százalékában felfelé, 90 százalékában lefelé mutat. Vagy az idő 65 százalékában felfelé, 35 százalékában pedig lefelé mutat. Valójában a spin végtelenül sokféleképpen állhat, ami jelentősen megnöveli a lehetséges állapotok számát. Tehát az atom sokkal több információt tud hordozni, nemcsak egy bitet, hanem egy kvantumbitet, azaz a fel és le állapotok egyidejű keverékét. A digitális bitek egyszerre csak egy bit információt hordozhatnak, ami korlátozza erejüket, ezzel szemben a kvantumbitek lehetőségei szinte korlátlanok. Azt a tényt, hogy atomi szinten az objektumok egyidejűleg több állapotban is létezhetnek, szuperpozíciónak nevezzük. (Ez egyúttal azt is jelenti, hogy a józan ész ismert törvényei atomi szinten rutinszerűen sérülnek. Atomi léptékben az elektronok egyszerre két helyen is lehetnek, ami a nagy méretű, makroszkopikus objektumok esetében nem lehetséges.)

Ezenkívül ezek a kvantumbitek kölcsönhatásba léphetnek egymással, ami a hagyományos biteknél nem lehetséges. Ezt nevezik összefonódásnak. Míg a digitális bitek állapotai egymástól függetlenek, a kvantumbitek esetében minden alkalommal, amikor újabb kvantumbitet adunk a rendszerhez, az kölcsönhatásba lép az összes korábbi kvantumbittel, így megduplázza a lehetséges interakciók számát. Ennélfogva a kvantumszámítógépek eredendően exponenciálisan erősebbek, mint a digitális számítógépek. Például napjainkban a kvantumszámítógépek több mint 100 kvantumbittel dolgozhatnak. Ez azt jelenti, hogy több mint 2^100-szor erősebbek, mint egy egyetlen kvantumbitet használó szuperszámítógép.

A Google Sycamore kvantumszámítógépe, amely elsőként érte el a kvantumfölényt, 53 kvantumbitjével 72 petabájt (72 millió gigabájt) adatot képes feldolgozni. Tehát egy olyan kvantumszámítógép mellett, mint amilyen a Sycamore, minden hagyományos számítógép eltörpül.

Ennek óriási horderejű kereskedelmi és tudományos következményei vannak. Ahogy a digitális világgazdaságból áttérünk a kvantumgazdaságba, a tét rendkívül naggyá válik.

A kvantumszámítógépek útjában álló akadályok

A következő kulcskérdés annak eldöntése, mi akadályoz meg manapság bennünket abban, hogy nagy teljesítményű kvantumszámítógépeket hozzunk forgalomba. Miért nem mutat be néhány vállalkozó szellemű feltaláló olyan kvantumszámítógépet, amely bármilyen ismert kódot feltörhet?

A kvantumszámítógépek problémáját Richard Feynman előre látta, amikor először felvetette a koncepciót. A kvantumszámítógépek működéséhez az atomokat pontosan úgy kell elrendezni, hogy egymással összhangban rezegjenek. Ezt nevezik koherenciának. Az atomok azonban hihetetlenül kicsi és érzékeny objektumok. A legkisebb szennyeződés vagy a külvilágból érkező zavar hatására az atomok sora kiesik a koherenciából, tönkretéve az egész számítást. Ez a törékenység jelenti a kvantumszámítógépek fő problémáját. Tehát az egymillió dolláros kérdés a következő: képesek vagyunk-e irányítani a dekoherenciát?

A külvilágból érkező zavaró hatások minimalizálása érdekében a tudósok speciális berendezésekkel az abszolút nulla fok közelébe csökkentik a hőmérsékletet, ahol a nem kívánt rezgések minimálisak. Ennek a hőmérsékletnek az eléréséhez drága, különleges szivattyúkra és csővezetékekre van szükség.

Itt azonban különös rejtéllyel találjuk szemben magunkat. A természet minden probléma nélkül alkalmazza szobahőmérsékleten a kvantummechanikát. Például a Föld egyik legfontosabb folyamata, a csodálatos fotoszintézis is kvantumfizikai folyamat, mégis szobahőmérsékleten megy végbe. A természet a fotoszintézis végrehajtásához nem használ szobányi méretű, speciális eszközöket, amelyek az abszolút nulla fok közelébe hűtik le a rendszert. Ismeretlen okokból a természetben a koherencia még melegben, napsütéses időben is fenntartható, amikor a külvilágból érkező zavarok atomi szinten káoszt keltenek. Ha egyszer majd rájövünk, hogyan képes a természet ezt a varázslatot szobahőmérsékleten végrehajtani, akkor a kvantumoknak, sőt magának az életnek az uraivá válhatunk.

A gazdaság forradalmasítása

Bár a kvantumszámítógépek rövid távon fenyegetést jelentenek a nemzetek kiberbiztonságára, hosszú távon óriási gyakorlati jelentőségűek, mivel képesek forradalmasítani a világgazdaságot, fenntarthatóbb jövőt teremteni, és elhozni a kvantum-orvostudomány korát, ami lehetővé tenné a korábban gyógyíthatatlan betegségek gyógyítását.

Számos olyan terület van, ahol a kvantumszámítógépek felülmúlhatják a hagyományos digitális számítógépeket:

1. Keresőmotorok

A közelmúltban a vagyont többnyire olajban vagy aranyban mérték.

Manapság egyre inkább adatokban mérik. A vállalatok korábban félredobták saját pénzügyi adataikat, de mostanra ezeket az információkat értékesebbnek ismerik el, mint a nemesfémeket. Ám az adatok hegyeinek átrostálása túlterheli a hagyományos digitális számítógépeket. Itt lépnek színre a kvantumszámítógépek, mert ezek képesek megtalálni a tűt a szénakazalban. A kvantumszámítógépek képesek lehetnek egy vállalat pénzügyeinek elemzésére, és azonosítani azokat a tényezőket, amelyek akadályozzák a növekedést.

Valójában a JPMorgan Chase nemrégiben együttműködést kezdett az IBM-mel és a Honeywell-lel annak érdekében, hogy elemezzék a cégek adatait, és ezáltal pontosabban előrejelezzék a pénzügyi kockázatokat és a bizonytalanságot, valamint növeljék működésük hatékonyságát.

2. Optimalizálás

Miután a kvantumszámítógépek keresőmotorokat használnak ahhoz, hogy azonosítsák a kulcsfontosságú tényezőket az adatokban, a következő kérdés az, hogyan lehet ezeket a keresőmotorokat bizonyos tényezők, például a profit maximalizálása érdekében beállítani. A nagyvállalatok, az egyetemek és a kormányzati szervek mindenesetre kvantumszámítógépeket fognak használni költségeik minimalizálása, valamint hatékonyságuk és profitjuk maximalizálása érdekében. Például egy vállalat nettó bevétele több száz tényezőtől függ, a fizetésektől, az eladásoktól, a költségektől és így tovább, amelyek mindegyike időben gyorsan változik. A hagyományos digitális számítógépeket túlterhelheti, ha meg akarják találni e számtalan tényező megfelelő kombinációját a profit maximalizálása érdekében. Időközben egy pénzügyi cég azt tervezheti, hogy kvantumszámítógépeket akar használni bizonyos pénzügyi piacok alakulásának előrejelzésére, amely piacok naponta több milliárd dollár értékű tranzakciókat bonyolítanak le. Ebben segíthetnek a kvantumszámítógépek azáltal, hogy számítási kapacitást biztosítanak az eredmény optimalizálásához.

3. Szimuláció

A kvantumszámítógépek olyan bonyolult egyenletekkel is megbirkózhatnak, amelyek megoldása meghaladja a digitális számítógépek képességeit. Például a mérnöki cégek kvantumszámítógépeket használhatnak a sugárhajtóművek, a repülőgépek és az autók aerodinamikai tulajdonságainak kiszámításához, hogy megtalálják az ideális formát, amely csökkenti a közegellenállást, minimalizálja a költségeket és maximalizálja a hatékonyságot. A kormányok kvantumszámítógépeket használhatnak az időjárás előrejelzésére, a pusztító hurrikánok útjának meghatározásától kezdve egészen annak kiszámításáig, hogy a globális felmelegedés milyen hatással lesz a gazdaságra és életvitelünkre évtizedek múlva. A tudósok kvantumszámítógépeket használhatnak, hogy megtalálják a mágnesek optimális elrendezését az óriási magfúziós berendezésekben, hogy hasznosítsák a hidrogénfúzió erejét, és „palackba zárják a Napot”.

Talán a legelőnyösebb mégis az lenne, ha a kvantumszámítógépeket létfontosságú kémiai folyamatok százainak szimulálására használnánk. Legvérmesebb reményeink megvalósulását az jelentené, ha bármilyen kémiai reakció kimenetelét meg tudnánk jósolni atomi szinten, csak kvantumszámítógépeket használva, anélkül, hogy a tényleges kémiai kísérleteket el kellene végeznünk. A tudománynak ez az új ága, a számításos kémia, nem kísérletekkel, hanem kvantumszámítógépen szimulálva határozza meg a kémiai tulajdonságokat, ami egy napon kiküszöbölheti a drága és időigényes kísérletezést. Végül az egész biológia, orvostudomány és kémia kvantummechanikára redukálódna. Ez azt jelenti, hogy létre kell hozni egy „virtuális laboratóriumot”, amelyben gyorsan kipróbálhatunk új gyógyszereket, terápiákat és gyógymódokat a kvantumszámítógép memóriájában, kiváltva a több évtizeden át tartó próbálkozásokat és a lassú, fárasztó laboratóriumi kísérleteket. Ahelyett, hogy bonyolult, drága és időigényes kémiai kísérletek ezreit hajtanánk végre, egyszerűen megnyomjuk a gombot egy kvantumszámítógépen.

4. A mesterséges intelligencia és a kvantumszámítógépek összefogása

A mesterséges intelligencia (AI) abban jeleskedik, hogy képes tanulni a hibákból, így egyre nehezebb feladatokat tud végrehajtani. Ez az iparban és az orvostudományban már bevált. A mesterséges intelligencia egyik korlátja azonban az, hogy a feldolgozandó hatalmas adatmennyiség könnyen túlterhelheti a hagyományos digitális számítógépeket. Ám a kvantumszámítógépek egyik erőssége éppen az adathegyek átrostálásának képessége. Tehát a mesterséges intelligencia és a kvantumszámítógépek keresztezése jelentősen növelheti alkalmasságukat mindenféle probléma megoldására.

A kvantumszámítógépek további alkalmazásai

A kvantumszámítógépek egész iparágakat képesek megváltoztatni. Például a kvantumszámítógépeknek köszönhetően végre beköszönthet a napenergia régóta várt korszaka. A jövőkutatók és látnokok évtizedek óta azt jósolják, hogy a megújuló energiák fokozatosan kiszorítják a fosszilis tüzelőanyagokat, és megoldják a bolygónkat melegítő üvegházhatást. E gondolkodók és álmodozók seregei a megújuló energia erényeit magasztalják.

A napenergia korában azonban valami félrecsúszott.

Noha a szélturbinák és a napelemek ára csökkent, a világ energiatermelésének még mindig csak töredékét biztosítják. A kérdés az, mi történt.

Minden új technológiának ki kell állnia a legfontosabb próbát: a gazdaságosság próbáját. A nap- és a szélenergiát évtizedek óta dicsérőknek szembe kell nézniük azzal a ténnyel, hogy a megújuló energiák átlagosan még mindig valamivel drágábbak, mint a fosszilis tüzelőanyagok. Az ok egyértelmű. Amikor nem süt a nap és nem fúj a szél, a megújuló energia technológiája ott áll kihasználatlanul, és csak porosodik.

Gyakran figyelmen kívül hagyják a napenergia korának kulcsfontosságú szűk keresztmetszetét: az akkumulátort. Elkényeztet minket az a tény, hogy a számítógépek teljesítménye exponenciális sebességgel növekszik, és öntudatlanul azt feltételezzük, hogy minden elektronikai technológiára ugyanaz a fejlődési ütem érvényes.

A számítógépek teljesítménye részben azért nőtt robbanásszerűen, mert rövidebb hullámhosszú ibolyántúli (UV) sugárzást használhatunk az apró tranzisztorok szilíciumchipre történő maratásakor. Az akkumulátorok azonban mások; rendetlenek, egzotikus kémiai anyagok sokaságát használják, összetett kölcsönhatásokban. Az akkumulátorok tárolókapacitása csak próbálgatások eredményeképpen és lassan növekszik, ellentétben a rövidebb hullámhosszú UV-fénnyel történő szisztematikus maratással. Ezenkívül az akkumulátorban tárolt energia csak töredéke a benzinben tárolt energiának.

A kvantumszámítógépek változtathatnak ezen a helyzeten. Lehetséges, hogy több ezer kémiai reakciót képesek modellezni anélkül, hogy laboratóriumban kellene végrehajtaniuk azokat, és így megtalálják a leghatékonyabb eljárást egy szuperakkumulátorhoz, miáltal beköszönthet a napenergia kora.

A közművek és az autógyártók már most is az IBM első generációs kvantumszámítógépeit használják az akkumulátorok problémájának megtámadására. A lítium-kén akkumulátorok következő generációjánál az eszközök kapacitását és töltési sebességét próbálják növelni. Ez azonban csak az egyik módja az éghajlat befolyásolásának. Ezenkívül az ExxonMobil az IBM kvantumszámítógépeit használja új vegyi anyagok létrehozására alacsony energiafelhasználású feldolgozáshoz és a karbon befogásához. Különösen azt szeretnék, ha a kvantumszámítógépek képesek lennének szimulálni az anyagokat és meghatározni azok tulajdonságait, például a hőkapacitásukat.

Jeremy O’Brien, a PsiQuantum alapítója hangsúlyozza, hogy ez a forradalom nem a gyorsabb számítógépek építéséről szól. Ehelyett inkább olyan problémák megragadásáról van szó, mint például azok a bonyolult kémiai és biológiai reakciók, amelyeket egyetlen hagyományos számítógép sem tudna megoldani, bármennyi időt is adnánk rá.

O’Brien szerint: „Nem arról beszélünk, hogy gyorsabban vagy jobban csináljuk a dolgokat… arról beszélünk, hogy egyáltalán meg tudjuk-e tenni ezeket a dolgokat. … Ezek a problémák örökre kezelhetetlenek maradnak minden olyan hagyományos számítógép számára, amelyet valaha is meg tudnánk építeni… Még ha a bolygó minden szilíciumatomját összegyűjtjük és szuperszámítógéppé alakítjuk, akkor sem tudnánk megoldani… ezeket a nehéz problémákat.”11

A bolygó lakosságának táplálása

A kvantumszámítógépek másik kulcsfontosságú alkalmazása lehet a világ növekvő népességének táplálása. Egyes baktériumok könnyedén felveszik a nitrogént a levegőből, és ammóniává alakítják, amelyből aztán műtrágyaként használható vegyületeket állítanak elő. A nitrogénmegkötés e folyamatának köszönhető, hogy az élet virágzik a Földön, lehetővé téve a buja növényzetet, amely az embereket és az állatokat táplálja. A zöld forradalom akkor kezdődött, amikor a kémikusok a Haber–Bosch-eljárással mesterségesen megvalósították ezt a bravúrt. Ez a folyamat azonban nagyon sok energiát igényel. Valójában a világ teljes energiatermelésének elképesztően nagy hányadát, 2 százalékát kell erre a folyamatra fordítani.

Ez a sors iróniája. A baktériumok ingyen megteszik azt, ami a világ energiájának hatalmas hányadát fogyasztja el.

A kérdés az, hogy a kvantumszámítógépek meg tudják-e oldani a hatékony műtrágyatermelés problémáját, ezzel elindítva egy második zöld forradalmat? Az élelmiszer-termelés újabb forradalma nélkül egyes futurológusok ökológiai katasztrófát jósolnak, mivel a világ egyre növekvő népességét egyre nehezebb táplálni, ami tömeges éhezéshez és élelmiszer-lázadásokhoz vezethet szerte a világon.

A Microsoft tudósai már megtették az első, azt célzó kísérleteket, hogy a kvantumszámítógépeket használva, növeljék a műtrágyák alkalmazásával elérhető hozamot, és feltárják a nitrogén megkötésének titkát. Végül a kvantumszámítógépek segíthetnek megmenteni az emberi civilizációt önmagától. A természet további csodája a fotoszintézis, amelynek során a napfény energiáját felhasználva a szén-dioxid oxigénné és glükózzá (szőlőcukorrá) alakul, amelyek aztán szinte minden élet alapját képezik. Fotoszintézis hiányában a tápláléklánc összeomlana, és az élet gyorsan eltűnne bolygónkról.

A tudósok évtizedeket töltöttek azzal, hogy molekuláról molekulára szétszedjék a folyamat mögött meghúzódó összes lépést. A fény cukorrá alakításának problémája azonban kvantummechanikai folyamat. Évekig tartó erőfeszítések árán a tudósok megállapították, hol dominálják ezt a folyamatot a kvantumhatások, de arra is rájöttek, hogy mindez elérhetetlen a digitális számítógépek számára. Ezért a természetesnél potenciálisan hatékonyabb szintetikus fotoszintézis létrehozásába eddig mindig beletört a legjobb vegyészeink bicskája.

A kvantumszámítógépek segíthetnek a hatékonyabb szintetikus fotoszintézis létrehozásában, vagy esetleg teljesen új módszereket találhatnak a napfény erejének megragadására. Ezen múlhat élelmiszer-ellátásunk jövője.

A kvantummedicina születése

A kvantumszámítógépek segíthetnek megfiatalítani a környezetet és a növényi életet. A kvantumszámítógépek nemcsak egyidejűleg több millió potenciális gyógyszer hatékonyságát képesek gyorsabban elemezni, mint bármely hagyományos számítógép, hanem magának a betegségnek a természetét is megfejtik.

A kvantumszámítógépek választ adhatnak a következő kérdésekre is. Mi okozza az egészséges sejtek hirtelen rákos megbetegedését, és hogyan lehet ezt a folyamatot megállítani? Mi okozza az Alzheimer-kórt? Miért gyógyíthatatlan a Parkinson-kór és az ALS (amiotrófiás laterálszklerózis)? A közelmúltban a koronavírusról kiderült, hogy mutálódik, de vajon mennyire veszélyesek ezek a mutáns vírusok, és hogyan reagálnak a kezelésre?

Az orvostudomány két legjelentősebb felfedezése az antibiotikumok és a vakcinák. Az új antibiotikumokat azonban nagyrészt próbálgatással találják meg anélkül, hogy pontosan megértenék, hogyan működnek molekuláris szinten. A vakcinák pedig csak arra serkentik az emberi szervezetet, hogy a behatoló vírust megtámadó vegyületeket állítson elő. Mindkét esetben a pontos molekuláris mechanizmusok még mindig ismeretlenek, a kvantumszámítógépek viszont betekintést nyújthatnak abba, hogyan fejleszthetünk ki hatásosabb oltóanyagokat és antibiotikumokat.

Ami a test megértését illeti, az első óriási lépés a humán genom projekt volt, amely felsorolta mind a 3 milliárd bázispárt és 20 000 gént, amelyek az emberi test tervrajzát képezik. De ez még csak a kezdet. A probléma az, hogy a digitális számítógépeket főként ismert genetikai kódok hatalmas adatbázisaiban való keresésre használják, de a gépek tehetetlenek, ha pontosan meg kell magyarázni, hogyan fejtik ki csodáikat a testben a DNS és a fehérjék. A fehérjék bonyolult molekulák, gyakran több ezer atomból állnak, amelyek molekuláris varázslatuk eléréséhez meghatározott, de jelenleg nem megmagyarázott módon kis golyóvá gyűrődnek össze. A legalapvetőbb szinten minden élet a kvantummechanikán alapul, és így túlmutat a digitális számítógépek hatókörén.

A kvantumszámítógépek azonban majd elvezetnek a megismerés következő szakaszába, amikor molekuláris szinten megfejtjük azokat a mechanizmusokat, amelyek megmondják, hogyan működnek, lehetővé téve a tudósok számára, hogy új genetikai módszereket, új terápiákat, új gyógymódokat hozzanak létre a korábban gyógyíthatatlan betegségek leküzdésére.

Egyes gyógyszeripari vállalatok, köztük olyan cégek, mint a ProteinQure, a Digital Health 150, a Merck és a Biogen, mostanra már kutatóközpontokat hoztak létre annak vizsgálatára, hogyan befolyásolják a kvantumszámítógépek a gyógyszerek elemzését.

A tudósokat bámulatba ejti, hogy a természet képes volt a molekuláris mechanizmusok olyan hatalmas arzenálját létrehozni, amelyek lehetővé teszik az élet csodáját. De ezek a mechanizmusok a véletlen és a véletlenszerű természetes szelekció melléktermékei, amelyek több milliárd év alatt jöttek létre. Ezért szenvedünk még mindig bizonyos gyógyíthatatlan betegségektől és az öregedés folyamatától. Ha megértjük, hogyan működnek ezek a molekuláris mechanizmusok, akkor képesek leszünk kvantumszámítógépekkel javítani rajtuk, vagy új verziókat létrehozni.

Például a DNS-genomika segítségével, számítógépeket használva olyan géneket azonosíthatunk, mint a BRCA1 és BRCA2, amelyek valószínűleg mellrákot okozhatnak. A digitális számítógépek azonban nem használhatók annak meghatározására, hogyan okoznak rákot ezek a hibás gének. Arra is képtelenek, hogy megállítsák a rákot, ha az az egész szervezetben kezd elterjedni. Ezzel szemben a kvantumszámítógépek immunrendszerünk molekuláris bonyolultságának megfejtésével új gyógyszereket és terápiákat hozhatnak létre e betegségek leküzdésére.

Egy másik példa az Alzheimer-kór, amely egyesek szerint az „évszázad betegsége” lesz, ahogy a világ népessége öregszik. Digitális számítógépekkel kimutatható, hogy bizonyos gének, például az ApoE4 gén mutációi, összefüggésbe hozhatók az Alzheimer-kórral. A digitális számítógépek azonban alkalmatlanok annak megmagyarázására, miért van ez így.

Az egyik vezető elmélet szerint az Alzheimer-kórt a prionok okozzák (prion – proteinaceous infectious particle, proteinszerű fertőző részecske). Ez egy bizonyos amiloid fehérje az agyban, amely hibás térszerkezetű, azaz a molekula nem megfelelően hajtogatódik össze. Amikor a renegát molekula beleütközik egy másik fehérjemolekulába, azt a molekulát is hibás térszerkezetűvé teszi. Így a betegség fizikai érintkezés útján terjedhet, annak ellenére, hogy nem baktériumok vagy vírusok vesznek részt a terjesztésében. Feltételezhető, hogy a renegát prionok állhatnak az Alzheimer-kór, a Parkinson-kór, az ALS és számos más gyógyíthatatlan betegség hátterében, amelyek elsősorban az időseket veszik célba.

A fehérjemolekulák összehajtogatásának problémája tehát a biológia egyik legnagyobb, feltáratlan területe. Valójában magának az életnek a titkát rejtheti magában. Annak pontos tisztázása azonban, hogy egy fehérjemolekula hogyan hajtogatódik össze, meghaladja bármely hagyományos számítógép képességét. A kvantumszámítógépek azonban új utakat kínálhatnak a renegát fehérjék semlegesítéséhez és új terápiák kidolgozásához.

Ráadásul a mesterséges intelligencia és a kvantumszámítógépek már említett összefogása az orvostudomány új jövője kulcsának bizonyulhat. Az olyan mesterségesintelligencia-programok, mint az AlphaFold, már képesek voltak feltérképezni elképesztő számú, mintegy 350 000 különböző típusú fehérje részletes atomszerkezetét, beleértve az emberi testben megtalálható összes fehérjét. A következő lépés a kvantumszámítógépek egyedi módszereinek felhasználása lesz annak kiderítésére, hogyan fejtik ki ezek a fehérjék varázslatos hatásukat, majd felhasználják őket a gyógyszerek és gyógymódok következő generációjának létrehozására.

A kvantumszámítógépeket már ma is neurális hálózatokba kapcsolják össze, hogy létrehozzák a tanuló gépek következő generációját, amelyek a szó szoros értelmében újra feltalálhatják magukat. Ezzel szemben az asztalon álló laptop soha nem tanul. Ma semmivel sem tud többet, mint tavaly. Csak a közelmúltban, a mélytanulás területén elért fejlődésnek köszönhetően tehették meg a számítógépek az első lépéseket a hibák felismerése és a tanulás irányában. A kvantumszámítógépek exponenciális tempójúvá gyorsíthatják ezt a folyamatot, miáltal egyedülálló hatást gyakorolhatnak az orvostudományra és a biológiára.

Sundar Pichai, a Google vezérigazgatója a kvantumszámítógépek megjelenését a Wright fivérek történelmi, 1903-as repüléséhez hasonlítja. Az akkori, első repülés önmagában nem volt különösebben lenyűgöző, mert mindössze szerény tizenkét másodpercig tartott. De ez a rövid repülés volt az a kiváltó szikra, amely elindította a modern repülést, ami viszont megváltoztatta az emberi civilizáció menetét.

A tét nem kisebb, mint a jövőnk. Mindenki számára elérhető, aki képes kvantumszámítógépet építeni és használni. Igazán csak akkor érthetjük meg, milyen hatást gyakorolhat ez a forradalom mindennapi életünkre, ha felidézünk néhány bátor kísérletet, amelyet a múltban tettünk, hogy megvalósítsuk álmunkat, és számítógépeket használjunk a körülöttünk lévő világ szimulálására és megértésére.

Az egész történet egy titokzatos, 2000 éves ereklyével kezdődött, amelyet a Földközi-tenger mélyén találtak.

2. FEJEZET

A DIGITÁLIS KOR VÉGE

Az Égei-tenger fenekéről az ókori világ egyik legérdekesebb, leglenyűgözőbb rejtélye került elő. 1901-ben a búvárok Antiküthéra szigete közelében furcsa és érdekes tárgyat mentettek ki a tenger mélyéről. Egy hajóroncsban a szétszórt cserépdarabok, érmék, ékszerek és szobrok között furcsa eszközt találtak, amely első pillantásra csak értéktelen, korallokkal benőtt kődarabnak látszott.

Ám amikor megtisztították a rárakódott üledékrétegtől, a régészek rájöttek, hogy egy rendkívül ritka, egyedülálló kincset tartanak a kezükben. A bonyolult és művészi tervezésű gép tele volt fogaskerekekkel, kerekekkel és furcsa feliratokkal.

A hajóroncsban talált leletek korának meghatározása alapján végzett becslések szerint valamikor Kr. e. 150 és 100 között készülhetett. Egyes történészek szerint Rodoszról Rómába vitték volna, hogy egy győzelmi ünnepségen Julius Caesarnak ajándékozzák.

2008-ban röntgentomográfia és nagy felbontású felületi szkennelés segítségével a tudósok bepillanthattak ennek az érdekes tárgynak a belsejébe. Megdöbbentek, amikor rájöttek, hogy egy ősi, de hihetetlenül fejlett mechanikus eszközt vizsgálnak.

Az ókori feljegyzésekben sehol nem található említés ilyen bonyolult eszközről. Ráébredtek, hogy ez a csodálatos gép az ókori világ tudományos ismereteinek csúcsa lehetett. Szupernóvaként ragyogott az évezredekkel ezelőtti tudomány égboltján. Ez volt a világ legrégebbi számítógépe, egy olyan eszköz, amelyhez foghatót a következő kétezer évben senki sem készített.

1. ábra. Az antiküthérai szerkezet

Kétezer évvel ezelőtt a görögök megalkották az antiküthérai szerkezetet, a számítógépek hosszú evolúciójának legelső darabját, amelynek az eredeti eszköz vizsgálata alapján készített másolata látható a képen. Míg az antiküthérai szerkezet a számítástechnika kezdetét jelenti, a kvantumszámítógép a számítógépek evolúciójának legmagasabb szintjét képviselheti.

(forrás: Freeth, T., Higgon, D., Dacanalis, A., et al. A Model of the Cosmos in the Ancient Greek Antikythera Mechanism. Sci Rep 11, 5821 (2021).)

A tudósok megpróbálták megépíteni ennek a figyelemre méltó eszköznek a pontos másolatát. Egy hajtókart elforgatva kerekek és fogaskerekek bonyolult sorozata lendült mozgásba – évezredek eltelte után először. Az eszközben legalább harminchét bronz fogaskerék kapcsolódott egymásba. A fogaskerekek egyik sorozata a Hold és a Nap mozgását utánozta. Egy másik fogaskerék-sorozat előre jelezheti a következő napfogyatkozás időpontját. Annyira érzékeny volt, hogy még a Hold keringésének apró szabálytalanságait is figyelembe tudta venni. Az eszközön található feliratok a Merkúr, a Vénusz, a Mars, a Szaturnusz és a Jupiter, vagyis az ókoriak által ismert bolygók mozgását írják le, de úgy vélik, hogy az eszköz egy másik része, amely hiányzik, ténylegesen bemutathatta a bolygókat, amint az égen mozognak.

Azóta a tudósok részletesen kidolgozott modelleket készítettek a készülék belsejéről, miáltal a történészek példa nélkül álló betekintést nyertek a régiek tudásába és gondolataiba. Az eszköz egy teljesen új tudományág születését adta hírül, amely mechanikus eszközökkel szimulálta az univerzumot. Ez volt a világ legrégebbi analóg számítógépe – egy olyan eszköz, amely folyamatos mechanikus mozgás segítségével tudott számításokat végezni.

A világ első számítógépének célja az volt, hogy az égitestek mozgását szimulálja, és a kozmosz titkait egy kézben tartható eszközben reprodukálja. Ahelyett, hogy ámulattal bámulták volna az éjszakai égboltot, ezek az ókori tudósok meg akarták érteni annak pontos működését, így minden korábbinál mélyebb betekintést nyertek az égitestek mozgásába.

Kvantumszámítógépek: a végső szimuláció

A régészek megállapították, hogy az antiküthérai szerkezet a kozmosz szimulálását célzó ősi próbálkozások csúcsát jelentette. Valójában ugyanez az ősi késztetés, a bennünket körülvevő világ szimulációjának vágya a kvantumszámítógép megalkotásának egyik hajtóereje, egy 2000 éve tartó utazás végső erőfeszítése, hogy a kozmosztól egészen az atomig mindent utánozni tudjunk.

A szimuláció az egyik legalapvetőbb emberi vágyunk. A gyerekek játék babákkal végeznek szimulációkat, hogy megértsék az emberi viselkedést. Amikor a gyerekek rendőrt és rablót, tanárt és diákot, vagy orvost és beteget játszanak, a felnőtt társadalom egy szeletét szimulálják, hogy megértsék az összetett emberi kapcsolatokat.

Sajnos sok évszázadba telt, mire a tudósok kellően bonyolult gépeket tudtak építeni ahhoz, hogy világunkat olyan pontosan szimulálják, mint az antiküthérai szerkezet.

Babbage és a differenciálgép

A Római Birodalom bukását követően a tudományos haladás számos területen megtorpant, beleértve az univerzum szimulációját is.

Az érdeklődés csak az 1800-as években kezdett újjáéledni. Akkorra már sürgető gyakorlati kérdések merültek fel, amelyekre csak a mechanikus analóg számítógépek tudtak választ adni.

A navigátoroknak például részletes térképekre és diagramokra volt szükségük ahhoz, hogy felrajzolják hajóik mozgásának útvonalát. Eszközökre volt szükségük ahhoz, hogy ezeket a térképeket a lehető legpontosabbá tegyék.

Egyre bonyolultabb gépekre volt szükség az üzleti élet és a kereskedelem nyomon követéséhez is, mivel az emberek egyre nagyobb vagyonokat kezdtek felhalmozni. A könyvelőknek hatalmas táblázatokat kellett kézzel összeállítaniuk, hogy elvégezhessék a kamatokkal és jelzáloghitelekkel összefüggő matematikai számításokat.

Az emberek azonban gyakran követnek el jelentős anyagi veszteséget okozó, súlyos hibákat. Ezért nagy érdeklődés mutatkozott olyan mechanikus összeadógépek készítése iránt, amelyek nem követnek el ilyen hibákat. Ahogy az összeadógépek egyre bonyolultabbá váltak, nem hivatalos versengés alakult ki a vállalkozó szellemű feltalálók között, hogy ki tudja megépíteni a legfejlettebbet.

A projektek közül talán a legambiciózusabbat Charles Babbage excentrikus angol feltaláló és látnok hajtotta végre, akit gyakran a számítógépek atyjának is neveznek. Számos, egymástól különböző területen tevékenykedett, beleértve a művészetet, sőt a politikát is, de a számok mindig is lenyűgözték. Szerencsére gazdag családba született, így bankár apja segíthette őt, hogy széles érdeklődési körének megfelelően sok területen kipróbálja magát.

Álma az volt, hogy létrehozza kora legfejlettebb számológépét, amellyel a bankárok, a mérnökök, a tengerészek és a katonák a hibázás veszélye nélkül végezhetik fárasztó, de elengedhetetlen számításaikat. Két célja volt. A Királyi Csillagászati Társaság (Royal Astronomical Society) alapító tagjaként egy olyan gép létrehozása érdekelte, amely nyomon tudja követni a bolygók és más égitestek mozgását (lényegében ugyanazzal a módszerrel, amelyet az antiküthérai szerkezet alkotói követtek). Azzal is foglalkozott, hogy pontos navigációs térképeket készítsen a tengerészet számára. Anglia jelentős tengeri hatalom volt, a navigációs térképek hibái pedig súlyos katasztrófákat okozhattak. Babbage arra gondolt, hogy megalkotja a maga nemében legerősebb mechanikus számológépet, amely a bolygóktól a tengeri hajókon át a kamatlábakig mindennek a változását kiszámítja.

Meglehetősen nagy meggyőző erővel volt képes lelkes követőket toborozni, akik segítettek neki ambiciózus projektje megvalósításában. Egyikük az arisztokrata Lady Ada Lovelace volt, Lord Byron lánya. Komoly matematikai tanulmányokat is végzett, ami akkoriban nők esetében ritkaságszámba ment. Amikor meglátta Babbage projektjének egy kis, működő modelljét, az izgalmas program felkeltette az érdeklődését.

Lovelace arról ismert, hogy segített Babbage-nek számos új koncepciót bevezetni a számítástechnikába. Általában egy mechanikus számítógépben áttételekre és fogaskerekekre volt szükség a számok lassú és gondos, egyenkénti megjelenítéséhez. Ahhoz azonban, hogy egyszerre több ezer számot tartalmazó táblázatokat (például logaritmusokat, kamatlábakat vagy navigációs diagramokat) állíthassunk elő, szükség volt egy utasításkészletre, amely számos iteráción vezeti keresztül a gépet. Más szóval, szoftverre volt szükség, amely irányította, milyen sorrendben végezze el a hardver a számításokat. Ezért felírt egy sor részletes utasítást, amelyek segítségével a gép szisztematikusan generálhatta az úgynevezett Bernoulli-számokat, amelyek elengedhetetlenek az elvégzett számításokhoz.

Lovelace bizonyos értelemben a világ első programozója volt. A történészek egyetértenek abban, hogy Babbage valószínűleg tisztában volt a szoftverek és a programozás fontosságával, mégis Lovelace 1843-ban írt részletes feljegyzéseit tekintik a számítógépes program első publikált leírásának.

Lovelace azt is felismerte, hogy a számítógép nemcsak arra képes, hogy műveleteket végezzen a számokkal, ahogy Babbage gondolta, hanem működését általánosítva számos területen szimbolikus fogalmak leírására is alkalmas. Doron Swade számítástechnika-történész ezt így fejezi ki: „Ada észrevett valamit, amit Babbage bizonyos értelemben nem látott. Babbage világában a gépei a számokhoz kötődtek. Lovelace viszont azt ismerte fel, hogy … a számok a mennyiségeken kívül más entitásokat is képviselhetnek. Tehát ha van egy gépünk, amelyik műveleteket tud végezni a számokkal, és ezek a számok más dolgokat, például betűket vagy hangjegyeket ábrázolnak, akkor a gép a számára előírt szabályok szerint műveleteket tudott végezni azokkal a szimbólumokkal, amelyekre a szám csak az egyik példa volt.”1

Példaként Lovelace azt hozta fel, hogy a számítógép beprogramozható zeneművek létrehozására. Mint írta: „a gép tetszés szerinti komplexitású vagy terjedelmű, bonyolult és tudományos zeneműveket komponálhat.”2 Tehát a számítógép nem csak egy számokat morzsoló eszköz vagy egy nagyra becsült összeadógép. Felhasználható a tudomány, a művészet, a zene és a kultúra felfedezésére is. De sajnos, mielőtt kifejthette volna ezeket a világot megváltoztató elképzeléseit, harminchat évesen rákban elhunyt.

Mivel Babbage rendszeresen pénzhiányban szenvedett, és minduntalan vitákba bonyolódott, soha nem vált valóra álma, hogy létrehozza kora legfejlettebb mechanikus számológépét. Amikor meghalt, sok tervrajza és ötlete vele együtt szállt a sírba.

Azóta a tudománytörténészek megpróbálták pontosan rekonstruálni, milyen fejlettek voltak a gépei. Egyik befejezetlen modellje a tervrajza szerint 25 000 alkatrészt tartalmazott. Ha megépítették volna, négytonnás és két és fél méter magas lett volna. Messze megelőzte korát, mert a gép ezer darab 50 jegyű számmal tudott volna műveleteket végezni. Ezt a hatalmas adatmennyiséget 1960-ig egyetlen másik gép sem tudta elérni.

Körülbelül egy évszázaddal a halála után a Londoni Természettudományi Múzeum mérnökei Babbage tervrajzait pontosan követve elkészítették és kiállították egyik modelljét. A gép működött, méghozzá pontosan úgy, ahogyan azt Babbage az előző évszázadban megjósolta.

Befejezett-e a matematika?

Miközben a mérnökök egyre bonyolultabb mechanikus számítógépeket építettek, hogy megfeleljenek az iparosodó világ mindinkább növekedő követelményeinek, az elméleti matematikusok újabb kérdést tettek fel. A görög matematikusoknak mindig is az volt az célja, hogy megmutassák: a matematikában minden igaz állítás szigorúan bizonyítható.

Figyelemre méltó, hogy ez az egyszerű ötlet kétezer éven át frusztrálta a matematikusokat. Eukleidész Elemek című művéből tanulók évszázadokon keresztül küszködtek a geometriai tételek bizonyításával. Idővel a zseniális gondolkodók az igaz állítások egyre bővülő halmazát tudták bizonyítani. Egyes matematikusok még ma is egész életüket azzal töltik, hogy látszólag igaz, de még bizonyítatlan állításokat próbálnak bizonyítani. Babbage korában azonban egy még alapvetőbb kérdést kezdtek megfogalmazni: teljes-e a matematika? Biztosítják-e a matematika szabályai, hogy minden igaz állítás bizonyítható, vagy vannak olyan igaz állítások, amelyek kifognak az emberi faj legkiválóbb elméin, mert valójában nem bizonyíthatók?

1900-ban a tekintélyes német matematikus, David Hilbert összegyűjtötte az akkor legfontosabbnak tartott, addig nem bizonyított 23 matematikai problémát, kihívás elé állítva a világ legnagyobb matematikusait. Úgy gondolta, hogy a megválaszolatlan kérdések e figyelemre méltó halmaza meghatározza majd a következő évszázad matematikájának irányát, ahogyan az egyes tételeket sikerül egyenként bebizonyítani. Az évtizedek során a matematikusok hírnevet és dicsőséget szerezhetnek maguknak, ha sikerül Hilbert listájának egy-egy tételét bizonyítaniuk.

Ekkor azonban közbeszólt a sors. A Hilbert által felsorolt megoldatlan kérdések egyike az az ősi probléma volt, hogy ha adott egy axiómarendszer, akkor ennek alapján a matematikában minden igaz állítást bizonyítani tudunk-e. Azonban 1931-ben egy konferencián, ahol Hilbert bemutatta a programját, egy fiatal osztrák matematikus, Kurt Gödel bebizonyította, hogy ez lehetetlen.

A döbbenet hullámai söpörtek végig a matematikusokból álló közönség soraiban. A kétezer éves görög gondolkodás teljesen és visszavonhatatlanul összeomlott. A matematikusok szerte a világon hitetlenkedve csóválták a fejüket. Kénytelenek voltak megemészteni azt a tényt, hogy a matematika nem a tételeknek az a tiszta, rendezett, teljes és bizonyítható összessége, amelyet egykor a görögök feltételeztek. Még a matematika is, amely a minket körülvevő fizikai világ megértésének alapját képezi, rendetlen és hiányos.

Alan Turing: a számítástechnika úttörője

Néhány évvel később egy fiatal angol matematikus, akit érdekelt Gödel híres nemteljességi tétele, zseniális módszert talált az egész kérdés újrafogalmazására. Ez örökre megváltoztatta a számítástechnika fejlődésének irányát.

Alan Turing kivételes képességeit már gyermekkorában felismerték. Általános iskolájának igazgatónője később azt írta, hogy a diákjai között „vannak ügyes fiúk, és vannak szorgalmas fiúk, de Alan zseni”.3 Később személye a számítástechnika és a mesterséges intelligencia atyjaként vált ismertté.

Turing sziklaszilárd elhatározása az volt, hogy a kemény ellenállás és a nehézségek ellenére elsajátítja a matematikát. Igazgatója valójában aktívan próbálta csillapítani a tudomány iránti érdeklődését, kijelentve, hogy „egy állami iskolában csak elvesztegeti az idejét ezzel”. Ez az ellenkezés azonban csak tovább szította Turing eltökéltségét. Tizennégy éves korában, amikor egy általános sztrájk miatt az ország nagy részének leállt a működése, ő hatvan mérföldet biciklizett, hogy ott lehessen az iskolában, amikor újra kinyitják.

Ahelyett, hogy egyre bonyolultabb összeadógépeket épített volna, mint például a Babbage-féle differenciálgép, Alan Turing végül egy másik kérdést tett fel magának: van-e matematikai határa annak, amire egy mechanikus számítógép képes?

Más szóval, képes-e egy számítógép mindent bizonyítani?

Ehhez szabatosabbá kellett tennie az informatika területét, mivel korábban az csak az excentrikus mérnökök egymáséitól független ötletei és találmányai laza gyűjteménye volt. Nem volt mód az olyan kérdések szisztematikus megvitatására, mint a kiszámítható dolgok határa. Ezért 1936-ban bevezette a ma univerzális Turing-gépnek nevezett koncepciót, egy megtévesztően egyszerű eszközt, amely megragadja a számítások lényegét, lehetővé téve az egész terület szilárd matematikai alapokra helyezését. Ma a Turing-gépek jelentik az összes modern számítógép alapját. A Pentagon óriási szuperszámítógépeitől a zsebünkben lévő mobiltelefonig minden a Turing-gépekre példa. Nem túlzás azt állítani, hogy szinte a modern társadalom egésze különböző Turing-gépekre épül.