Eredetileg arról szerettem volna hozni egy gyűjtést, hogyan változtathatja meg jövőnket a kvantum-számítástechnika (quantum computing), de ahogy vájkáltam a témában, rájöttem, kontextusba helyezés nélkül eléggé a levegőben lógna a dolog. Azzal együtt pedig lehet a világ leghosszabb és legfárasztóbb cikke lenne, amit már én sem akarnék újra elolvasni a végén.
Mi is az a kvantum-számítástechnika?
A ma használt számítógépek processzorai biteket használnak. Ezekről már általános iskolában bemagoltuk, hogy a bit az bináris, lehet egy darab 1 vagy egy darab 0, még ha nem is értettük akkor, hogy ez mit jelent.
A gyakorlatban a bitek kicsike kis kapcsolók, amik lehetne lekapcsolt állapotban – ekkor veszik fel a 0 értéket – vagy lehetnek felkapcsolt állapotban – ekkor pedig egy 1. Minden, amit ma a számítástechnikához kötünk – weboldalak, fényképek, e-könyvek –, mind-mind leírható egyesek és nullák használatával, hiszen bitek millióiból állnak.
Minek kéne ennél több, ha ezzel tökéletesen eloperálunk? Amikor mindenünk megvan a számítógépünkben és okoseszközeinkben, amire csak szükségünk van. Igen ám, de az univerzum maga nem úgy működik, mint számítógépünk. Nem lehet mindent le- és felkapcsolt “pozícióval” leírni!
Mindamellett, hogy az univerzum egy óriás, érthetetlen, mégis csodálatosan működő katyvasz, egy ismert tulajdonsága azért van: az, hogy teljesen bizonytalan. És jelen állapotunkban sem a számítógépeink, sem pedig a szuperszámítógépeink nem képesek kezelni ezt a bizonytalanságot, ami egészen problémás.
Az elmúlt évszázad során a fizikusok rájöttek, hogyha elég kicsiben vizsgálják a dolgokat és az ott végbemenő jelenségeket – nevezetesen nanoszkopikus mérettartományban – akkor ott egészen megdöbbentő dolgok történnek. Ez gyakorlatilag a kvantummechanika.
Ami pedig tulajdonképpen az egész fizika alapja, sőt a kémiáéi is, ami pedig a biológia alapja. És mivel egész lényünk és létezésünk meghatározható fizikai, kémiai és biológiai jelenségekkel, ezért nem túlzás azt állítani, hogy a kvantummechanika lehet a létezésünk első lépcsőfoka is.
Ahhoz azonban, hogy a tudósok pontosan tudják szimulálni ezeket a nanoszkopikus szinten végbemenő eseményeket, szükségük volt arra, hogy készítsenek egy olyan számítógépet, ami elbír a bizonytalansággal. Így születtek meg a kvantum-számítógépek.
Hogyan működnek a kvantum-számítógépek?
Az első és legfontosabb különbség, hogy bitek helyett a kvantumszámítógépek kvantumbiteket, vagyis qubiteket használnak. Ez a kvantuminformáció egysége, azonban ahelyett, hogy azok bináris értéket vennének fel, azaz nullák vagy egyesek lennének, egy fajta köztes állapotban, szuperpozícióban vannak. Tehát egy időben vannak fel és lekapcsolva vagy valahol a kettő spektrumán félúton.
Biztosan hallottál már Schrödinger macskájáról. A szuperpozíció tökéletes mintája:
Schrödinger, hogy a kvantumelmélet egyik abszurditását szemléltesse, egy képzeletbeli macskát egy zárt dobozba helyezett, amelybe kívülről nem lehetett belelátni. A dobozban a macska mellett van egy szerkezet, melyet a macska nem tud befolyásolni. A szerkezet tartalmaz egy darab radioaktív anyagot, melyben egy óra alatt egy atom vagy lebomlik, vagy ugyanekkora valószínűséggel nem bomlik le. A radioaktív bomlást észleli egy Geiger–Müller-számláló, ami egy relén keresztül elenged egy kalapácsot és az összetör egy hidrogén-cianidos üveget, megölve ezzel a macskát. Ha egy óra hosszat magára hagyjuk a dobozt, azt mondhatjuk, hogy a macska él, ha időközben nem volt atombomlás.
Hogy eldöntsük, a macska él-e vagy meghalt, ki kell nyitni a dobozt. A fogós kérdés azonban az, hogy milyen állapotban van a macska a doboz kinyitása előtt? A kvantumelmélet szerint a macska hullámfüggvénye egy élő és egy halott macska hullámfüggvényét egyszerre tartalmazza. Schrödinger számára az az elképzelés, hogy a macska egyszerre élő és holt is, abszurd elképzelés volt, amit nem tudott elfogadni.
Egy példával magyarázva: vegyél egy érmét, dobd fel, az esemény kimenetele fej vagy írás lesz. Ha viszont az élére állítod, az egyik ujjaddal felülről megtartod, a másikkal pedig megpöckölöd, addig, amíg meg nem állítod a pörgését, bármelyik lehet. Ez esetben a szuperpozíció pedig olyan, mint maga a forgó érme. Ez a bizonytalanság az, amitől a kvantumszámítógépek olyan erősek lesznek.
Egy másik példa. Ha arra kérsz egy számítógépet, hogy egy labirintus egyik pontjából kiindulva találja meg a kiutat, akkor az meg fog próbálni minden lehetőséget, egyesével, addig, amíg meg nem találja a megfelelő útvonalat. A kvantumszámítógépek ezzel szemben minden utat egyszerre tudnak bejárni, mert tudnak a bizonytalannal számolni.
A másik dolog, amire a qubitek képesek, az összefonódás. Normál esetben, a mi valóságunkban, ha feldobsz két érmét, akkor az eredményüknek az ég egy adta világon semmi köze nem lesz egymáshoz. Az, hogy az elsőként földet érő érme fej vagy írás, semmilyen módon nem befolyásolja, hogy a második eredménye mi lesz. Mivel a két esemény egymástól független.
A kvantum-összefonódás esetén viszont a két részecske (ez esetben az érmék) egymáshoz kapcsolódnak, még akkor is, ha fizikai valójukban két külön dologról beszélünk. Ha az egyik fej lesz, akkor a másik is biztosan fej. Légből kapottnak hangzik, pláne, hogy egyelőre még csak azt tudjuk, hogy ez így működik, senkinek nincs rá magyarázata, miért.
Egy biztos a kvantum-számítástechnika világában: ott úgy mozog az információ, hogy magában hordozza a bizonytalanság faktorát is, ami a bináris gépek esetében nem lehetséges. Vagyis foghatod a kis pörgő érmédet és komplex számításokat végezhetsz vele. Ha pedig rá tudsz bírni több kvantumbitet, hogy együttműködjenek, akkor gyakorlatilag olyan problémákat tudsz megoldani, amikkel a mai szuperszámítógépek sem bírnak el.
Mire képesek a kvantum-számítógépek?
Itt nem arról van szó, hogy valamit gyorsabban vagy sokkal hatékonyabban tudnak elvégezni, mint más számítógépek. Hanem arról, hogy olyan dolgokat tudnak megvalósítani, amikről egyelőre még álmodni sem tudunk.
Magukban hordozzák a mesterséges intelligencia ugrásszerű fejlődését, gondoljunk csak az önvezető autók fejlesztésére. De például képesek lesznek a kémiai reakciók egész pontos modellezésére is. Ami alapvetően nem hangzik valami nagy dolognak, mégis, a jelenlegi szuperszámítógépek maximum a legalapvetőbb molekulák analizálására képesek. A kvantum-számítógépek viszont képesek lehetnek felvenni a molekulák tulajdonságait és az alapján szimulálni azok interakcióit.
Egy egyszerű példával érve, a kvantum-számítógép pontosan meg tudná mondani kis számolgatás után, hogy a Csernobilban még mindig sugárzó atomerőmű roncsok meddig lesznek radioaktívak. Az ott sugárzó Cézium-137 felezési idejét jelenleg 30 000 év körülire becsülik. A reakciót modellezve a kvantum-számítógép nem csak találgatni tudna.
De hasznát vehetnénk az élet számtalan más területén is. Végezhetne pénzügyi elemzéseket is, pontosabb lehetne az időjárás előrejelzés. A kriptográfiában is kulcsszerepet játszhat. A legtöbb enkriptálás, vagyis titkosítás művelet faktorálással, azaz óriás számok prímszámokra bontásával visszafejthető.
Ez brutál erőforrásigényes művelet, lassú is és nem túl hatékony, a költségeiről már nem is beszélve. A kvantum-számítógépeknek ez a művelet meg sem kottyan. A titkosszolgálatok állítólag már szép nagy adatbázist halmoztak fel, ami feltörésre vár. Az egyetlen biztos módszer jelenleg a kvantum enkriptálás lenne, ahol a bizonytalan változó minden eddigi tényt borít, jelen tudás szerint gyakorlatilag feltörhetetlenné téve bármit.
Mikor lehet kvantum-számítógépünk otthon?
A rossz hír az, hogy a mi életünk során elég kicsi az esély arra, hogy kvantum-chip kerüljön laptopjainkba vagy okostelefonjainkba, mert jelen formájában a technológia borzalmasan instabil még.
Szinte bármilyen behatás ki tudja billenteni a qubiteket szuperpozíciós állapotukból, mely viszont elengedhetetlen feltétele a működésüknek. A működő kvantum-számítógépeket minden formájában izolálják bármilyen (elektromos) interferenciától és abszolút nulla fok (-273,15 °C vagy 0 K) közelében operálnak. Ez pedig hidegebb, mint kint a világűr.
Jelenleg csak néhány szervezetnek és vállalatnak van hozzáférése a létező kvantum-számítógépek kapacitásához. A legközelebbi dolog, amivel a kvantum-számítógépekhez juthatsz a IBM Quantum Experience programja.
A jelenleg működő legjobb kvantum-számítógépek kb. 50 qubittel működnek. Ami így is elképzelhetetlen erőt jelent, mivel minden egyes hozzáadott qubit exponenciálisan növeli a számítási kapacitást. De ezzel egy időben az instabilitást és a fatális hibák lehetőségét is növeli.
Most az IBM és Google versenyez egymással a kvantumfölényért: éppen a Google vezet egy 72 qubites, többé-kevésbé működő chippel. Ki tudja meddig, hiszen a jövő teljesen bizonytalan…
Borítókép: The Converation
