Mi inspirálta „A fizika mint számítógép” című előadás témáját?

Ezzel a témával régóta foglalkozom, tulajdonképpen ez a kapocs a többféle kutatási terület között, amivel dolgoztam, dolgozom. Ahogy Feynman megfogalmazta: a fizika és a számítás kapcsolatát megértve mind a számítógépekről, mind a fizikáról mélyebben érthetünk meg dolgokat. Ennek a tématerületnek egyébként komoly hagyománya van az ITK-n: a néhai Roska Tamás professzor és mentorom, Csurgay Árpád professzor kutatásait is nagyban motiválta ez a kapcsolat.

Mit jelent pontosan az a gondolat, hogy maga a fizika tekinthető számítógépnek?

Hogyan kapcsolódik a fizika a jövő számítástechnikai eszközeinek fejlesztéséhez?

Hadd válaszoljam meg ezt a két kérdést egyben. A 2024-es fizikai Nobel-díjat a modern mesterséges intelligencia alapvetéseit kidolgozó ötletekért ítélték oda, Geoffrey Hintonnak és John Hopfieldnek. A modern mesterséges intelligencia alapjait nagyon nagy részben nem biológusok és nem informatikusok fektették le, hanem fizikusok. Rengeteg alapfogalom a modern mesterséges intelligenciában fizikai fogalmakból származik – ilyen például az energia, ami a gépi tanulásban egy fizika által inspirált koncepció. A Hopfield-háló lényegében a statisztikus fizikából, a mágneses rendszerek leírásából átvett modell: a hálózat úgy találja meg a megoldást, ahogy egy fizikai rendszer beáll a legalacsonyabb energiájú állapotába. Hinton Boltzmann-gépe pedig már a nevében is hordozza a termodinamikai eredetét.

Azt is fontos megemlíteni, hogy mindaz, amit a modern számítástechnika elért, a hardver rendkívüli fejlődésének köszönhető: elképesztő technológiai, fizikai és anyagtudományi kutatások teszik lehetővé a több százmilliárd tranzisztort tartalmazó GPU-k és CPU-k megépítését. Ez is lehetetlen volna a fizikai folyamatok mély ismerete nélkül.

Sajnos napjainkban sokszor elfelejtődik, hogy az információtechnika alapjainak megértéséhez mennyire fontos a fizika. Ezzel küzdünk az ITK-n is, ahol az informatikát és bionikát tanuló, számítástechnika iránt érdeklődő diákok érdeklődése a fizika iránt lagymatag. Én és a kollégáim is sokat dolgozunk azon, hogy az információtechnika fizikához való kötődése a hallgatók számára nyilvánvaló legyen, hiszen csak így lehet időtálló, megalapozott tudásuk a modern információtechnológiáról.

Előadásában említette a magnonikus számítástechnikát is. Mitől különleges ez a megközelítés a hagyományos számítógépekhez képest?

Ez a fő kutatási területünk. A mágneses anyagokban az elemi mágneses momentumok, a spinek nem függetlenek egymástól: ha az egyiket kimozdítjuk az egyensúlyi helyzetéből, a szomszédai is követik, és a zavar hullámként fut végig az anyagon. Ezeket hívjuk spinhullámoknak, a kvantumjaikat pedig magnonoknak. Azért különleges ez a megközelítés, mert nem elektromos jelekkel próbál megoldani számítási feladatokat, hanem ezeknek a hullámoknak az interferenciájával – vagyis a számítás egy részét maga a fizika végzi el, nem egy tranzisztorokból felépített áramkör. Így az ötlet sok mindenben rokon az optikai számítógépek alapgondolatával, csak remélhetőleg egy sokkal praktikusabb csomagban: a spinhullámok hullámhossza ugyanazon a frekvencián nagyságrendekkel rövidebb a fényénél, ezért a szükséges eszközök is sokkal kisebbek lehetnek, és jobban illeszkednek a mai chiptechnológiához.

Milyen előnyei lehetnek a fizikai alapú új számítástechnikai rendszereknek a mai technológiákkal szemben?

Számítások végzésére, intelligens gépek és számítógépek építésére mindig korlátlan az igény; ez látszik a napjainkban zajló őrült mesterségesintelligencia-lázon, az adatközpont-építéseken is. A korlátot az adja, hogy nincs elég energia a számítógépek működtetésére, és nincs gyártókapacitás a megépítésükre. A mai gépek ugyanis szinte mindent tranzisztorok kapcsolgatására fordítanak le, és minden egyes kapcsolás energiába kerül – egy nagy modell betanítása elképzelhetetlenül sok ilyen elemi műveletet jelent. Bármilyen olyan technológia, amely a természetes fizikai folyamatokat felhasználva növelné az energiahatékonyságot – hullámok interferálnak, oszcillátorok szinkronizálódnak, és ezzel a munka egy részét maga a fizika végzi el –, új lehetőségeket adna az AI és minden egyéb számítás végzésére.

Mennyire vagyunk közel ahhoz, hogy ezek a kutatási területek a mindennapi technológiában is megjelenjenek?

Bármilyen áttörés, eredmény, amely a hardvereket energiahatékonyabbá vagy a gyártásukat olcsóbbá tenné, nagyon hamar alkalmazható lenne. A modern számítástechnikai eszközök gyártása elképesztő befektetést és know-how-t igényel, és nagyon kiszolgáltatott a komplex nemzetközi ellátási láncoknak. Ha lennének akár csak speciális eszközök, amelyek spinhullámok segítségével például egyszerűbben, hatékonyabban valósítanának meg bizonyos funkciókat, annak nagy piaca lehetne. Amin mi dolgozunk, az egyelőre még közelebb van az alapkutatáshoz: eddig nem sikerült olyan „killer appot” találni, amely nélkülözné a tranzisztorokat és az integrált áramköröket.

Kutatásai között szerepel a fizikai kriptográfia is. Hogyan kapcsolódik a fizika az információbiztonsághoz?

Ez egy régebbi, de nagyon izgalmas kutatási téma volt. A kriptográfiát a legtöbben teljesen matematikai tudománynak gondolják – ami jelentős részben igaz is. A kriptográfiai algoritmusokat azonban mindig egy hardver, egy fizikai eszköz valósítja meg. A fizikai kriptográfia azt jelenti, hogy ennek a hardvernek a tulajdonságait, egyediségét használjuk ki az információbiztonság növelésére. Mondok egy példát: az Ön számítógépében lévő áramkörök egyediek. Hiába viselkedik minden számítóeszköz nagyjából egyformán, amikor egy szokásos programot futtat, valójában nincs két olyan számítógép, amelyik atomról atomra egyforma lenne. Ez a gyártás elkerülhetetlen apró szórásából adódik, és semmilyen ráfordítással nem lehet két eszközt tökéletesen egyformára csinálni. Ezt speciális algoritmusokkal ki lehet használni: lehet például olyan algoritmusokat írni, amelyek csak egy bizonyos számítóeszközön hajlandók lefutni, máson nem. A szakirodalom ezt fizikailag klónozhatatlan függvénynek – angolul physically unclonable functionnek, PUF-nak – nevezi.

Mit szeretett volna, hogy a hallgatóság leginkább magával vigyen ebből az előadásból?

A legtöbben azt gondolják a fizikáról, hogy valami nagyon elvont, elméleti, a valóságtól elrugaszkodott, számukra irreleváns terület. Vagy félelemmel vegyes csodálattal tekintenek rá – ahogy a diákjaink többsége a kozmológiára, az atomfizikára –, de eszük ágában sincs művelni, elmélyedni benne. Azt szerettem volna, ha az előadás nyilvánvalóvá teszi, mennyire releváns a fizika a mesterséges intelligencia és más, mindenkit aktívan foglalkoztató területeken.

Dr. Csaba György előadása a Dies Academicus ünnepi napokon: