Szuperagy lesz a kvantumszámítógép

Az idei fizikai Nobel-díjjal elismert, a számítástechnikát új alapokra helyező kutatások akár tíz éven belül teljesen átalakíthatják az életünket. A kvantumszámítógép könnyen feltörhetővé teszi majd a ma nehezen kikezdhető banki rendszereket, és olyan számításokat is el tud végezni, amelyekre a mai komputerek egy emberélet alatt is képtelenek lennének.

A 2012-es fizikai Nobel-díjat Serge Haroche és David Wineland kutatók kapták a kvantumrendszerek vizsgálatában elért alapvető eredményeikért, amelyek megteremtették a kvantumszámítógépek létrehozásának lehetőségét. A kvantumelmélet eredményeit felhasználó gépek nagyságrendekkel gyorsabbak lesznek a mostani gépeinknél, és olyan problémákat is meg tudnak oldani, amelyeket a hagyományos számítógépek csak évmilliók alatt tudnának kiszámolni. A kvantumszámítógép talán ebben a században változtatja meg olyan radikálisan mindennapi életünket, ahogyan a klasszikus komputer tette az elmúlt században - áll a Királyi Akadémia közleményében.

Egyes vagy nulla

Bármeddig csökkentik a chipek méretét és növelik a rendelkezésre álló tárkapacitást és teljesítményt, napjaink számítástechnikája egyszerű marad. Minden, ami a gépben történik, visszavezethető igenekre és nemekre. Ez a két állapota volt az ősszámítógépekben felhasznált jelfogóknak, a vákuumcsövek elektronikájának, és ilyen kétállású kapukból épülnek fel a tranzisztorok is.

Egy bitnyi információ egy ilyen igen-nem döntést tartalmaz. Nyolc bitből pedig összeáll egy bájt. Erre épül a leghagyományosabb ASCII nevű kódolás, amelyben az angol ábécé betűi, sok különleges karakter, betűk és írásjelek találhatók meg. Az ASCII-ben kódolt kis a betűt egyszerűen vissza is lehet fordítani igenekre és nemekre. Így fest: 01100001.

Mindent mutat a kvantumbit

A nagy áttörésre váró kvantum-számítástechnikában is van megfelelője a bitnek, ez a qubit vagy kvantumbit. A qubit értékét egy atom, ion vagy foton kvantumállapota őrzi. A qubit értéke is lehet igen vagy nem, de felvehet egy olyan úgynevezett szuperpozíciót is, amelyben egyszerre van az igen és nem állapotban. Ez a mindennapi tapasztalatok alapján furcsának tűnik, a kvantumvilágban azonban alapvető jelenség.

A hagyományos processzoroknál is kisebbek lesznek a kvantumgépek alkatrészei

Ez egy csapásra megsokszorozza a számítási kapacitást. Ha ugyanis a bemenet az összes lehetséges állapot szuperpozíciója, akkor a kvantumprocesszor párhuzamosan, egy lépésben képes kiszámolni az összes lehetséges kimenetet. Két bit hosszú bemenet például négy állást vehet fel, ezek a következők: 00, 01, 10 és 11. A variációk száma minden további bit hozzáadásával megduplázódik: n darab bit esetében 2 az n-ediken féle bemenet lehetséges. Míg a hagyományos bitekből 300 csupán arra alkalmas, hogy pár sornyi szöveget tároljunk benne, ha egy 300 kvantumbites kvantumregisztert a mai számítógépekkel szeretnénk szimulálni, akkor annak memóriaigénye kettő a háromszázadikonnal lenne arányos, ami több, mint az atomok száma az Univerzumban.

Már dolgozik a majdnemkvantum számítógép

Hol tartanak ezek a fejlesztések? Nagy visszhangot kapott 2009-ben, hogy a Yale egyetemen létrehozták a világ első két qubites kvantumprocesszorát, amely egyszerű műveletek végrehajtására volt képes. A két kvantumbitet ebben az esetben két darab, egyenként ezer alumíniumatomot tartalmazó szupravezető chip alkotta. A Nature-ben publikált eredmények szerint a szilárd félvezetőből készült tesztqubitek egyszerű számítások lefuttatására voltak alkalmasak. A szuperpozíciót egy mikroszekundumig, a másodperc milliomod részéig volt képes megőrizni a qubit, ez ezerszer hosszabb, mint amire a korábbi qubitek voltak képesek.

A hagyományos chipeknél többre képes a D-Wave "majdnemkvantum" lapkája

A legizgalmasabb irányt a D-Wave nevű cég fejlesztése jelenti, amely 2007-ben bejelentette, hogy elkészítette a világ első kvantumszámítógépét. A gép természetét firtató kérdések miatt később a cég visszakozott, és elismerte, hogy nem teljesen kvantumgépük van, de többet tud a hagyományos számítógépeknél. Egy bonyolult számításokat igénylő logikai feladványhoz már felhasználták a D-Wave rejtélyes szuperszámítógépének képességeit. Az egyetlen szépséghiba, hogy a gép által megoldott probléma hagyományos eszközökkel is kiszámítható lett volna.

"A jövő kvantumszámítógépei a sérülékenységük miatt nem arra hivatottak, hogy az asztali PC-ket leváltsák. Szöveget szerkeszteni, böngészni vagy játszani a jövőben is hagyományos számítógépeken fogunk" - mondja Ádám Péter, a Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpontjának tudományos főmunkatársa. A magyar kutató szerint a speciális célfeladatokra kialakított kvantumrendszerek azonban már a 2020-as években megjelenhetnek.

Alapjaiban változik meg a világ, ha valóban eljön

Ha egyszer elkészül a kvantumszámítógép, az egyszerre lesz ijesztő és rendkívül hasznos. A sok ezer qubites kvantumszámítógépek képesek lesznek a mai szuperszámítógépeknek túlságosan összetett problémák gyors megoldására. A kvantumgép a szuperpozíciós lehetőség miatt nem egymás után végzi a számításokat, hanem mindet egyszerre. Ez a tulajdonság megnyitja az utat az emberi agy működésének modellezése, segíthet a gyógyszerkutatásban bonyolult molekulák megtervezésében, vagy például új, sokkal pontosabb klímamodellek létrehozása előtt, de felgyorsítja az úgynevezett NP-teljes problémák megoldását is. Az ilyen problémák kiszámolása is rendkívülien sok időt vesz igénybe, a megoldás ellenőrzése pedig nem lehetséges ésszerű idő alatt.

A banki biztonsági rendszerek vagy épp a Facebook vagy a Gmail biztonságát őrző tanúsítványok mindegyike mögött olyan kriptográfia rejlik, amelyet hagyományos számítógépen irtóztatóan hosszú időbe telne feltörni. Ha a kvantumgép elkészül, úgy az összes mai biztonsági megoldásunk továbbfejlesztésre szorul, és nagyobb szerephez jut a már ma is komoly eredményeket felmutató kvantumtitkosítás.

Nobel-díjat értek a kísérleti kvantumrendszerek

Mindenekelőtt azonban valóban működőképes qubiteket kell létrehozni, azaz meg kell alkotni a jövő számítógépeinek magjait, amelyek a környezetüktől elszigetelt, mégis megfigyelhető és módosítható kvantumrendszerek lesznek. Éppen ez az, aminek az alapjait lerakták a mostani Nobel-díjasok. Mindketten a kvantumoptika területén dolgoznak, és az 1980-as évek óta vizsgálják a fény és az anyag közötti alapvető kölcsönhatásokat.

David Wineland kísérletei során egy ioncsapdát hozott létre: elektromágneses mezőben tartott fogva ionokat. Az ioncsapda vákuuma és extrém alacsony hőmérséklete miatt az ionokra nem hatott a környezet hőmérséklete és sugárzása. Ezután Wineland szinte művészi tökélyre fejlesztette azt a módszert, amellyel a becsapdázott ionok energiaállapotát változtatta, lézer segítségével. Sikerült elérnie, hogy egy adott ion éppen két energiaállapot közé, ezek szuperpozíciójába kerüljön, amelyet aztán vizsgálni tudott.

David J. Wineland kísérlete

Serge Haroche ennek a fordítottját valósította meg: ő egy fotoncsapdát hozott létre. Ehhez szupravezető anyagból készült, az abszolút nulla fok közelébe lehűtött, egymással szemben lévő tükröket használt. Az egymástól 3 centiméterre lévő szupravezető tükrökön egy-egy foton olyan sokszor verődött vissza, hogy közben 40 ezer kilométert tett meg, és kvantummechanikai értelemben igen hosszú ideig, a másodperc tizedrészéig létezett. Ezalatt számos megfigyelést lehetett elvégezni ezen a kvantumrendszeren. Haroche ehhez speciális, nagyméretű atomokat használt. Ezeket a fotonokon áteresztve mérni tudta, hogy a fotonok miben változtatták meg az atom kvantumállapotát, ebből pedig a fotonok állapotváltozására lehetett következtetni.

Serge Haroche kísérlete

A másodperc tört részéig működik a kvantumszámítógép

A kvantum-szuperpozíció azonban csak addig stabil, amíg a kvantumbit nem kerül kölcsönhatásba a környezetével. "Az idei fizikai Nobel-díj is olyan kutatásokért járt, amelyek a kvantumrendszerek izolációjával kapcsolatosak. Ha egy kvantumrendszer kölcsönhatásba kerül a környezetével, akkor a felhasználás szempontjából fontos kvantumállapota gyorsan összeomlik, és a benne tárolt kvantuminformáció elvész" - mondja Ádám Péter.

Ez az oka, hogy a kvantumszámítógépek egyelőre nem jöhetnek létre. A gép működéshez az szükséges, hogy el legyen szigetelve a környezetétől, azonban ez adatbevitelkor és kiolvasáskor ez a helyzet szükségszerűen sérül. A kvantumszámítógép elméleti háttere tehát adott, a gyakorlati megoldások azonban rendkívül bizonytalanok. A két tudós kutatásai pedig azért értek fizikai Nobel-díjat, mert megfigyelhetővé és manipulálhatóvá tettek kvantumrendszereket, ezzel lefektetve az utat a jövő számítógépei előtt.

Magyar kutató tűzközelben

Domokos Péter, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Lendület-ösztöndíjas kutatója 1994 és 1998 között Haroche kutatócsoportjában dolgozott. A magyar kutató az [origo]-nak elmondta, hogy ez volt az az időszak, amikor azok a kísérletek felfutottak, amelyekért Haroche most Nobel-díjat kapott. Akkoriban a kis térbe zárt fény tulajdonságait vizsgálták, Domokos pedig azt tanulmányozta, hogyan lehet atomok segítségével a fényt preparálni ebben a térrészben.

Domokos elmondta, hogy Haroche a Nobelt egy olyan laboratóriumi rendszer kifejlesztésével érdemelte ki, amelyben a kvantummechanika törvényszerűségei uralkodnak. A környezettel való kölcsönhatás ugyanis minden kvantumeffektust kiöl. Ennek kiküszöböléséhez technikai és elméleti megoldásokat kell találni, és ez egy hosszú távú feladat.

A magyar kutató elmondta, hogy jelenleg is van közös európai uniós projektjük, amelyben Haroche laborja és a Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézete is részt vesz.