Kvantumszámítás a qubit-kíváncsiaknak

Mi az a kvantumszámítás? A hagyományos számítógépek szigorú logikai szabályok szerint működnek. Ám az apró kvantumobjektumok – például az elektronok vagy a fény fotonjai – képesek ezeket a szabályokat áthágni

A kvantumszámítástechnika az az elképzelés, hogy ezt a kvantumszabály-törést újfajta információfeldolgozásra használhatjuk – olyanra, amely teljesen eltér a hagyományos számítógépek működésétől. Ez egyes esetekben exponenciálisan gyorsabbá teszi őket, mint bármely hagyományos számítógépet.

Egy kvantumszámítógép például könnyedén feltörhetné az internetes bankolás biztonságát garantáló kódokat.

Szóval, mint egy szuperszámítógép?

Nem egészen. A kvantumszámítógép nem egyszerűen egy “gyorsabb” számítógép. Van néhány speciális feladat – például a nagyon nagy számok faktorálása -, amelyekben egy kvantumszámítógép bámulatos lenne. (Itt jön a képbe a kódtörés – lásd alább.) De a legtöbb feladatra egy kvantumszámítógép alig lenne jobb, mint egy hagyományos számítógép.

Mire lehetne használni egy kvantumszámítógépet?

Valószínűleg a kormányzati szervek, a kutatás-fejlesztéssel foglalkozó vállalatok és az egyetemek számára lesz a leghasznosabb, olyan problémák megoldására, amelyekkel a jelenlegi számítógépek nehezen boldogulnak.

Az első gyakorlati ötlet, amelyet Richard Feynman fizikus javasolt 1981-ben, az volt, hogy a kvantumszámítógépet a kvantummechanika szimulálására használják. Ez hatással lenne a kémiára és a biológiára. A vegyészek például pontosan modellezhetnék a gyógyszerek kölcsönhatásait, a biológusok pedig tanulmányozhatnák a fehérjék hajtogatásának és egymásra hatásának minden lehetséges módját.

Míg a kvantumszámítógépek egykor tudományos kuriózumnak számítottak, az érdeklődés 1994-ben robbant be, amikor Peter Shor amerikai matematikus megtalálta a módját annak, hogy a kvantumszámítógépeket kódok feltörésére használják.

Jelenleg számos online biztonsági rendszer azon az elven működik, hogy szinte lehetetlen egy nagyon nagy számot venni és kitalálni, hogy mik a prímtényezői. Egy hagyományos számítógép csak annyit tud tenni, hogy minden lehetőséget egymás után kipróbál – ez a feladat akár évmilliárdokig is eltarthat. Shor algoritmusát használva egy kvantumszámítógép néhány óra alatt elvégezhetné ezt a feladatot.

A kvantumszámítógépek fantasztikusak lehetnek az adatokban lévő minták felismerésében is – ez hasznos lehet gépi tanulási problémáknál, például a különböző tárgyak azonosításában egy képen. Nagyszerűek lehetnek a jövő előrejelzésére szolgáló modellek készítésében, például a hosszú távú időjárás-előrejelzésben.

A kvantumszámítógépek felhasználási területei azonban végső soron kiszámíthatatlanok. Gondoljunk csak arra, hogy 1943-ban Thomas Watson, az IBM elnöke azt mondta: “Azt hiszem, a világpiacon talán öt számítógépre van szükség”. Ma már minden háztartásban öt darab van.

Ha a precedensek mutatnak valamit, még el kell képzelnünk, milyen felhasználási módjai lesznek a kvantumszámítógépeknek.

Hogyan működik a kvantumszámítás?

A hagyományos számítógépek “biteken” alapulnak – képzeljük el őket kis kapcsolóként, amelyek vagy 1-re, vagy 0-ra mutatnak.

A kvantumszámítógépek kvantumbitekre, azaz “qubitekre” támaszkodnak, amelyek szintén jelenthetnek 0-t vagy 1-et. Az őrület az, hogy a qubitek vegyes állapotot, úgynevezett “szuperpozíciót” is elérhetnek, ahol egyszerre 1 és 0 is lehet. Ez a kétértelműség – az a képesség, hogy egyszerre tudnak “lenni” és “nem lenni” – a kvantumszámítógépek erejének kulcsa.

Hogyan segít a szuperpozíció?

A különbség a hagyományos számítógépek és a kvantumszámítógépek között abban rejlik, hogy hogyan közelítik meg a problémát.

A hagyományos számítógép ugyanúgy próbál megoldani egy problémát, mint ahogyan egy labirintusból próbálsz kijutni – minden lehetséges folyosót kipróbálva, zsákutcákban visszafordulva, míg végül megtalálod a kiutat. A szuperpozíció azonban lehetővé teszi a kvantumszámítógép számára, hogy egyszerre próbálja ki az összes utat – lényegében megtalálja a legrövidebb utat.

Két bit a számítógépben négy lehetséges állapotban lehet (00, 01, 10 vagy 11), de mindig csak az egyikben. Ez arra korlátozza a számítógépet, hogy egyszerre egy bemenetet dolgozzon fel (mintha csak egy folyosót próbálna ki az útvesztőben).

A kvantumszámítógépben két qubit is pontosan ugyanazt a négy állapotot (00, 01, 10 vagy 11) képviselheti. A különbség az, hogy a szuperpozíció miatt a qubitek egyszerre mind a négyet képviselhetik. Ez egy kicsit olyan, mintha négy hagyományos számítógép futna egymás mellett.

Ha több bitet adunk hozzá egy hagyományos számítógéphez, akkor is csak egy állapotot tud egyszerre kezelni. De ha qubiteket adunk hozzá, a kvantumszámítógép teljesítménye exponenciálisan növekszik. A matematikában jártasak számára azt mondhatjuk, hogy ha “n” qubitünk van, akkor egyszerre 2n állapotot tudunk reprezentálni.)

Ez olyan, mint az a régi mese egy Sessa nevű ősi indiánról, aki feltalálta a sakkjátékot. A király el volt ragadtatva a játéktól, és megkérte Sessát, hogy nevezze meg a jutalmát. Sessa alázatosan egyetlen sakktáblát kért, amelyen az első négyzetben egy búzaszem volt, a másodikban kettő, a harmadikban négy és így tovább. A király azonnal beleegyezett, nem is sejtve, hogy több búzát ígért el, mint amennyi a Földön létezik. Ez az exponenciális növekedés ereje.

Mint ahogy minden egyes négyzet megduplázta Sessa búzáját, úgy minden egyes további qubit megduplázza a feldolgozási teljesítményt. Három qubit 23, azaz nyolc állapotot ad egyszerre; négy qubit 24, azaz 16 állapotot. És 64 qubit? Ezek 264-et adnak, ami 18,446,744,073,709,600,000 lehetőséget jelent! Ez körülbelül egymillió terabájtnyi lehetőség.

Míg 64 normál bit is képes reprezentálni ezt a hatalmas számú (264) állapotot, egyszerre csak egyet tud reprezentálni. Ahhoz, hogy mindezen kombinációkat másodpercenként kétmilliárddal (ami egy modern PC tipikus sebessége) végigjárjuk, körülbelül 400 évre lenne szükség.

Mindez azt jelenti, hogy a kvantumszámítógépek olyan problémákat is megoldhatnak, amelyek a klasszikus számítógépek számára “gyakorlatilag lehetetlenek”.

Az exponenciális gyorsuláshoz azonban az összes qubit sorsát össze kell kapcsolni egy kvantum összefonódásnak nevezett folyamat során. Ez a furcsa jelenség, amelyet Einstein “kísérteties távoli hatásnak” nevezett, akkor is képes összekapcsolni a kvantumrészecskéket, ha azok az univerzum ellentétes végein vannak.

Miből lesz egy qubit?

A qubit létrehozásához olyan tárgyra van szükség, amely képes két állapot közötti kvantum-szuperpozíció állapotába kerülni.

Az atommag egyfajta qubit. Mágneses mozzanatának iránya (a “spin”) különböző irányokba mutathat, mondjuk felfelé vagy lefelé egy mágneses mezőhöz képest.

A kihívást az egyetlen atom elhelyezése, majd megszólítása jelenti.

Egy ausztrál csapat, Michelle Simmons vezetésével az Új-Dél-Walesi Egyetemen úgy készített atom qubiteket, hogy egyetlen foszforatomot helyezett el egy ismert helyen egy szilíciumkristályban.

Egy másik ötlet, hogy egy elektront leveszünk az atomról, és ionná alakítjuk. Ezután elektromágneses mezőkkel felfüggeszthetjük az iont a szabad térben, és lézerrel lőhetünk rá, hogy megváltoztassuk az állapotát. Ez egy “csapdába ejtett ion” kvantumszámítógépet eredményez.

A szupravezető fémhurokban folyó áram is lehet szuperpozícióban (az óramutató járásával megegyező és az óramutató járásával ellentétes irányban), kicsit olyan, mint egy kis futópad, amely egyszerre fut előre és hátra.

A fény fotonja is lehet szuperpozícióban a hullámzás irányában. Egyes csoportok úgy állítottak össze kvantumáramköröket, hogy fotonokat küldtek körbe optikai szálak és tükrök labirintusában.

Hogyan jön létre a szuperpozíció?

Próbáltál már valaha egy érmét pontosan a szélén egyensúlyozni? Pontosan ilyen egy qubit programozása. Ez azt jelenti, hogy valamit csinálunk a qubittal, hogy bizonyos értelemben “egyensúlyba kerüljön” az egyes állapotok között.

Az atommag esetében ez úgy történhet, hogy elektromos vagy mágneses mezőt kapcsolunk rá, így egyenlő valószínűséggel pöröghet az egyik vagy a másik irányba.

Hogyan olvassuk ki az információt a qubitekből?

A kvantumszámítás során végbemenő folyamatoknak van egyfajta misztikus aurája. Az elrugaszkodottabb fizikusok úgy írják le a qubiteket, mintha egyfajta kvantum szeánszot tartanának párhuzamos világokkal, hogy megjósolják a választ.

De ez nem varázslat, ez csak kvantummechanika.

Tegyük fel, hogy az új 64 qubites kvantumszámítógéped készen áll az első számításra. Mind a 64 qubitet szuperpozícióba helyezed, akárcsak 64 érmét, amelyek mindegyike élére állítva egyensúlyban van. Együttesen 264 lehetséges állapotot tartanak limbóban. Tudod, hogy ezen állapotok egyike jelenti a helyes választ. De melyik?

A probléma az, hogy a qubitek leolvasása a szuperpozíció összeomlását okozza – mintha az öklünket az asztalra ütnénk az összes kiegyensúlyozott érmével.

Itt jön jól egy olyan kvantumalgoritmus, mint a Shoré. Úgy tölti be a qubiteket, hogy nagyobb valószínűséggel essenek a helyes oldalra, és adják meg a helyes választ.

Építettek már kvantumszámítógépeket?

Látszólag igen, bár egyelőre egyik sem képes a hagyományos számítógépeket felülmúló teljesítményre.

Az elmúlt három évben drámai előrelépés történt a kvantumszámítógépek terén. Míg 2016-ban a Nature magazin a Google kutatói által kifejlesztett kilenc qubites számítógépet ünnepelte. Másfél évvel később, 2017 decemberében az IBM 50 qubites kvantumszámítógépükről számolt be. Négy hónapon belül a Google ismét előretört, a 72 qubites “Bristlecone” kvantumszámítógépével. Időközben az IBM elkészítette az első kereskedelmi forgalomban kapható kvantumszámítógépet – a 20 qubites Q System One nevű gépükhöz felhőalapú hozzáférést biztosítanak, méghozzá pénzért.

A D-Wave még mindig jóval előrébb jár a 2000 szupravezető hurok qubitként való megalkotásával, bár egyes fizikusok kételkednek abban, hogy a D-Wave valódi kvantumszámítógépet épített.

A nagy szereplők mindegyike a következő nagy mérföldkövet tartja szem előtt: A “kvantum szupremácia”. Ez azt jelenti, amikor egy kvantumszámítógép olyan problémát old meg, amely meghaladja a klasszikus gépek képességeit. Elméletileg ez egy 50 qubitből álló géppel lehetséges lenne, de csak akkor, ha a hibaarányok elég alacsonyak.

Miért olyan nehéz kvantumszámítógépet építeni?

Minden szinten vannak kihívások, a qubitek összeszerelésétől kezdve az információ olvasásán és írásán át az információ ide-oda ingázásáig, anélkül, hogy az eltűnne a bizonytalanság puffanásában.

A qubit a végső díva. Míg egy hollywoodi sztárocska óriási öltözőt és rózsaszirmokkal teli fürdőt követelhet, addig egy qubit tökéletes elszigeteltséget és az abszolút nulla fok fölött egy század fokkal magasabbra állított termosztátot. Egy közeli atom legkisebb rezgése is képes arra, hogy a qubit kvantumos hisztit csapjon, és elveszítse a szuperpozícióját.

A legfőbb nehézség az, hogy hogyan lehet a szuperpozíció és az összefonódás kényes állapotát elég sokáig fenntartani egy számítás elvégzéséhez – ez az úgynevezett koherenciaidő.

Az első gyakorlati kvantumszámítógép megépítéséért folyó verseny ennek ellenére korunk egyik legnagyobb tudományos kihívásává vált – több tucat, világszerte szétszórt kutatóintézet több ezer fizikusának és mérnökének részvételével.