Az egyetem első éve mindig a lehetőségek felderítéséről szól, és a világ szerencsésebb felsőoktatási intézményeiben ma már kvantumszámítástechnika-mérnöki alapképzésbe is belekezdhetnek az érdeklődő diákok. A középiskola programozási óráin hallhatnak róla, mint a jövő számítástudományának alapjáról, komplex problémákat legeredményesebben leegyszerűsítő eszközről, egy teljesen új, első hallásra nehezen vizualizálható számítógépről.

Ezek az egyetemi programok, stúdiumuk előkészítik a diákokat az éledező kvantumtechnológiai iparra, hogy majd ott hasznosítsák a megtanultakat.

A szakterületen fejlesztett eszközök egyedi atomokkal, elektronokkal, fotonokkal és kvantumtulajdonságokat mutató más összetevőkkel dolgoznak. Pontosan ezek a jellegzetes tulajdonságok biztosítják, hogy kvantumszámítógépeken hagyományos komputereken nehezen vagy egyáltalán nem futó algoritmusfajták is működjenek.

Sci-fiből valóság

A kvantumszámítógépek ma még ugyanolyan furcsáknak, szokatlanoknak tűnnek, mint a jövő sci-fi filmekben látott, regényekben olvasott mindentudó infokommunikációs eszközei.

Nem véletlenül, hiszen maga az alapkérdés eleve paradoxonnak tűnik: hogyan végezzünk a kvantumfizika bizonytalanságából kiinduló technikákkal biztos és halálpontos számításokat?

A technológiához ráadásul olyan ezoterikus hangzású eszközök tartoznak, mint az atomórák és a mágneses szenzorok, amelyekről a beavatottakon kívül senki nem tudja, hogy mik, és persze maguk a kvantumszámítógépek. Szakértők szerint fejlesztésük legalább egy évtizedig eltarthat, és csak utána jöhet a kereskedelmi hasznosítás.

Technológiai paradigmaváltásról beszélnek: a kvantummechanika rendkívül precíz méréseket tesz lehetővé, a gépek pedig új módszerrel dolgozhatják fel a számokat. Egy még divatosabb másik csúcstechnológiával összehasonlítva:

a kvantumkomputer és a mesterséges intelligencia kombinációja a jövő nagy ígérete.

Hosszú évtizedek elméleti és gyakorlati kutatásainak eredményeként, a technológia már működik, annyira viszont még nem, hogy helyettesítse a nullákon és egyeken alapuló klasszikus számításokat. Pedig a területben rejlő potenciál óriási, összehasonlíthatatlanul nagyobb, mint az általunk ismert (bináris) számítógépeké és szuperszámítógépeké: másodpercek alatt oldhatnak meg olyan feladatokat, amelyekkel a mostani komputerek többezer évig elidőznének.

Számos iparág biztosra veszi, hogy komoly előnyei lesznek a beharangozott kvantumszámítási forradalomból.

Gyógyszer- és elektromosjármű-gyártók elkezdtek használni kvantumszámítógépeket, vegyi szimulációkat végeznek velük új gyógyszerek felfedezéséhez, akkumulátorok fejlesztéséhez. Molekulák hatékonyabban és pontosabban szimulálhatók velük azon egyszerű oknál fogva, hogy eredendően kvantummechanikai jellegűek.

Miért különleges a kvantumszámítógép?

Mindezekhez viszont adekvát válaszokat kell találni a szabad szemmel láthatatlan, atomi szint alatti világok rengeteg kihívására.

Ezen a szinten az anyag természetét meghatározó és vezérlő, sokszor még érthetetlen folyamatok játszódnak le, és kristályosodnak ki belőlük például élettani, vegyi, fizikai és főként kvantummechanikai alapelvek. Újabb kérdések merülnek fel velük kapcsolatban: milyen hatással vannak az elektronokra, miért viselkednek furcsán bizonyos anyagok speciális körülmények között?

A kvantumszámítógép elvi alapjairól van szó, pontosan ezeket a jelenségeket használja a gép a munkájához. A két állapotból, nullákból és egyekből álló bitekkel dolgozó hagyományossal ellentétben, nullát, egyet és a kettő szinte végtelen számú állapotát tartalmazó kvantumbitekkel (qubitekkel) dolgozik, végez el műveleteket. A variációs lehetőségekből egyértelművé válik, hogy miért is gyorsul fel nagyságrendekkel a kvantumszámítógépes adatfeldolgozás.

A két legismertebb ilyen jelenség a kvantum-szuperpozíció és a teleportálás miatt sci-fikből ismert kvantum-összefonódás. A kvantum-szuperpozíció a kvantummechanikai rendszereknek az az állapota, amikor egyszerre két vagy több helyzetben létezhetnek.

A kvantum-összefonódásban két, akár egymástól távoli tárgy (sci-fiben személyek) kvantumállapota nem írható le a részrendszerek állapotával, bizonyos tulajdonságaik csak együtt értelmezhetők, és ha az egyiken módosítunk, a módosítás a másikra is hatással lesz.

Így válik lehetővé információk szuperbiztonságos teleportálása.

Szoftverfejlesztőktől biológusokig, vegyészekig, sok-sok felhasználó vizsgálja, hogyan tudná szakterülete fellendítésére használni a technológiát. Kibontakozásának mikéntjéről azonban változatlanul élénk viták folynak, és többen addig nem akarnak bekapcsolódni az iparágba, amíg meg nem bizonyosodtak a robusztusságáról.

Kérdés persze, hogy ezek a fontos szereplők nélkül robusztus lehet-e a kvantumszámítógép.

Nem kell minden kvantumtechnológiai álláshoz doktori

Az ausztráliai Új-Dél Wales Egyetemen (UNSW) erre a világra kezdik felkészíteni az érdeklődő hallgatókat. Az ottani diploma űrt tölthet be, mert ma a doktori programokon kívül minimális a kvantumszámítási képzés. A kvantummechanika tanulmányozása korai huszadik századi felfedezése óta az alapkutatások és a posztgraduális stúdiumok közé került. Amikor a kvantumtechnológia első kereskedelmi hasznosulásaira a 2010-es években sor került, főként fizikai PhD-vel rendelkező kutatókat alkalmaztak.

Az utóbbi években az amerikai, a brit, az ausztrál és a kínai kormány, valamint az Európai Unió dollármilliárdokat ígértek a kvantumtechnológiai ipar fejlesztésére. Ha hozzávesszük a területen leginkább érdekelt infokom óriáscégek, a Google, az IBM, a Microsoft, valamint kisebb startupok befektetéseit, teljesen egyértelmű, hogy az egész világ a kvantumszámítógép nagy áttörésére, arra a pontra, „gyilkos alkalmazásra” (killer application) vár, amikor a nagy ígéretből tömeges használatban működő, kereskedelmi termékké válik, és igyekeznek lerövidíteni az oda vezető utat és időt.

Az iparág növekedésével, szakmabeliek máris a képzett munkaerő hiányára panaszkodnak, kevés a megfelelő végzettséggel rendelkező (nem feltétlenül PhD-szintű) jelentkező egy-egy állásra.

A hiány a közeli években minden valószínűség szerint növekedni fog. Becslés alapján Ausztrália kvantumtechnológia ipara 19400 munkahelyet biztosíthat 2045-ig, egy 2016-os felmérésből viszont kiderült, hogy az egész országban csak ötezer személynek van fizikus doktori végzettsége.

Az UNSW-n panaszkodnak is: a fizikusi diploma megszerzése minimum öt év, és így egyszerűen nem képesek a növekvő iparág igényeinek megfelelő mennyiségű doktori képzésére. Ráadásul az iparágnak nem is lesz szüksége sok PhD-szintű szakemberre, elég lesz, ha a jelentkező mérnök rendelkezik a szükséges diplomával és a kulcsfontosságú kvantum-tantárgyakat végig hallgatta, például tudja hogyan működnek a hardverelemek és megfelelő szoftvert is képes írni hozzájuk.

Még tanulnak a jövő sikeres kvantummérnökei

A kvantumipar fejlődése a számítógép-ipar utóbbi ötven évével állítható párhuzamba: 1970 és 2014 között az USA-ban megtízszereződött az iparágon belüli állások száma. Azért is történhetett meg ez, mert az 1970-es évek elején a változásokkal tisztában lévő egyetemek vagy számítástechnikai alapprogramot hoztak létre, vagy a már meglévőt bővítették.

A kvantumtechnológia iparban is ilyen léptékű átalakulásra számíthatunk. A szektornak nem egyetlen típusú, hanem változatos végzettségű munkavállalókra van szüksége. Egy technológia mindaddig nem lehet sikeres, amíg csak PhD-vel rendelkező személyek tudják, hogyan kell használni.

A kereslet növekedését látva, több egyetem indít három-, négy vagy ötéves kvantumtechnológiai képzést. 

A saarbrückeni Saarland Egyetemen 2019-ben vezették be az ausztrál UNSW-hez hasonló kvantummérnöki oktatást, egy évvel később pedig a mesterképzést. A blacksburgi Virginia Tech diákjai három év után választhatják második szakként a 2022-ben bevezetett kvantum- és információtudományt. Az Észak-karolinai Állami Egyetemen szintén indítanak kvantummérnök-szakot, és a világ egyre több felsőoktatási intézményében számíthatunk hasonló képzésekre.

Az ezekkel az egyetemi diplomákkal rendelkező mérnököket a kvantumeszközökkel való, a kvantummechanika viszonylag mély ismeretét igénylő, közvetlen munkára tanítják meg. Az iparágnak hagyományos technológiával, például hűtőrendszerekkel dolgozó személyekre szintén szüksége van, hogy adott esetben megfelelő hidegen tartsák a kvantumszámítógépeket.

Nekik elegendők a legalapvetőbb, a hagyományos villamosmérnöki képzésben is szereplő kvantummechanikai ismeretek.

Niels Bohr és a LED-ek kvantumpöttyei

Az UNSW kvantummérnöki programja szintén a hagyományos villamosmérnöki képzésen alapul. A diákok nagyrészt ugyanazokon az órákon vesznek részt, csak nekik külön kvantumtechnológiai óráik is vannak. Azért találták így ki, hogy a kvantumszakot végzők is elhelyezkedhessenek villamosmérnökként.

A legtöbb jelenlegi kvantumórán a korábbi mesterképzések anyagát használják fel, viszont át is kell gondolni a kvantummechanika oktatását. A hagyományos megközelítés ugyanis elméleti fizikai, a tanárok „idealizált” kvantumobjektumok, például egyedi részecskék viselkedését igyekeznek megértetni a diákokkal, és csak egy-egy napot töltenek az alkalmazásokkal, ami ma már nyilván nem elég.

A hallgatók alaposan megtanulják például Niels Bohr kvantummodelljét a hidrogénről, a legegyszerűbb atomról, és minden hozzá kapcsolódó elméletet negatív töltésű elektronokról, fotonok elnyeléséről stb. Ezzel szemben az UNSW-n valós példákkal, mondjuk LED-ekben és televíziókészülékek képernyőiben használt kvantumpöttyökkel szemléltetik a „láthatatlan” kvantumuniverzumot. 

Így sokkal érdekesebb és praktikusabb, mert a diák konkrét példákhoz tudja kapcsolni az egészet, és nem absztrakt – és láthatatlan – elméleteket kell elképzelnie. A kvantummechanika mögötti matekot is számítógép-barátibb módon oktatják. A diákok hagyományos differenciálegyenletek helyett mátrixos problémamegoldást tanulnak, amihez Python programozói nyelven írt kódokat használnak, papír helyett pedig számítógépen dolgoznak.

Laboratóriumi órákon kvantumhardverrel ismerkednek, hogy kézzel fogható, konkrét élményeik legyenek az elméletekről.

Az IBM és a Google is besegít 

Sokat kell tanulniuk: rengeteg fizikát, matematikát és mérnöki alapokat, a három kombinációit. Az egyetemekre gyakran kvantumtechnológiai vállalatok dolgozóit hívják meg előadásokat tartani, a diákok laborokat látogatnak. Előadókkal, laborokkal egyaránt közelebb kerülnek a valósághoz.

Egyelőre kísérletként is tekinthetünk ezekre a felsőoktatási programokra.

A szakmai közösségnek ki kell találnia, hogy hogyan osszák meg élményeiket a diákokkal.

Nem könnyű feladat és sok benne a bizonytalanság, hiszen ahol van kvantumszak, ott is csak a múlt évtized végén azonosították az iparági munkákhoz nélkülözhetetlen, elsőként megtanulandó fogalmakat: kvantumbiteket, kvantumállapotot, kvantum-összefonódást. 

A tantervek kialakításába a cégek is besegítenek, mert ők is tudják, hogy az egyetemeken változatossá kell tenni a tárgyakat. A célok – működő kvantumszámítógépek – csak sokoldalú munkaerővel valósíthatók meg, és már a felsőoktatásban, a leendő dolgozók képzésében erre kell törekedni. Például az IBM és a Google is besegít: nyílt forráskódú, bárki által használható szoftvercsomagokat (Qiskit, Cirq) bocsátanak egyetemek rendelkezésére, a végzősöknek pedig segítenek szakmunkát találni.