Azt már hozzávetőlegesen tudjuk, hogyan is működnek a kvantumszámítógépek. Mielőtt rátérnénk a mostani és jövőbeli felhasználásukra, nézzük meg, hogy is jutottunk el odáig, ahol a tudományág mai állása tart.
Amikor középiskolába jártam, többször hallgattam meg, hogy számítógép közelébe se menjek, akkora antitálentum vagyok, a számokra pedig gondolni se gondoljak, mert teljesen hülye vagyok hozzájuk.
Aztán az élet valahogy rácáfolt erre, mert napi szinten foglalkozom az IT világával – sőt közgazdász is lettem – és most éppen az érdeklődésem középpontjában a kvantummechanika és a kvantumszámítógépek állnak. Az én történetem 1991-ben kezdődött. Ehhez képest 10 évet kell visszaugornunk az időben, amikor megszületett az első és alap kérdés, amire a kvantumszámítógépekben rejlik a válasz.
Tudunk fizikai jelenségeket számítógéppel szimulálni?
Tette fel a kérdést Richard Feynman 1981-ben, az MIT-n egy fizikai és számítástechnikai konferencián. A válasz pedig leginkább olyan se hús, se hal jellegű: nem igazán, legalábbis a fizika nem minden ágában.
Az egyik ilyen szimulálhatatlan ágazat a kvantummechanika, ami a természeti jelenségek törvényeit vizsgálja atomok és részecskék szintjén. Ha a kvantummechanikai történéseket próbálnánk szimulálni számítógéppel, akkor igen hamar alapvető problémákba ütköznénk. Pontosabban az előző cikkben már emlegetett bizonytalanság és hihetetlen mennyiségű változó lekövetése a legnagyobb probléma.
Ha egy részecskét két változóval lehet leírni, akkor a legáltalánosabb formájában n darab részecskét 2n-nyi változó határoz meg. 100 részecske esetén 200 változóra van szükség, és így tovább. Ez óriási számokat ad ki, amivel még a modernkori számítógépek sem birkóznának meg, leginkább memória hiányában.
Feynmant ez nem akadályozta meg abban, hogy tovább kutassa a problémát, és előálljon azzal a felvetéssel, hogy amennyiben a számítógépek nem tudják szimulálni a kvantumfizika eseményeit, akkor miért nem építenek egy kvantummechanikai alapon működő számítógépet, ami sokkal nagyobb teljesítménnyel bírhatna a normál, bináris alapú számítógépekhez képest.
Aztán képszakadás… Évekig nem történt semmi előrelépés, mert bár az ötlet megvolt, senki sem tudta, hogyan fogjanak hozzá a kvantumszámítógépek megépítéséhez. Egyáltalán azt sem tudták pontosan, hogyan kéne kinéznie, vagy hogy mire is kéne képesnek lennie.
Majd jött Bohr…
Először a fény tanulmányozása környékén kezdtek el kutakodni, pontosabban azzal kezdtek foglalkozni, hogy egy tárgy színét hogyan határozza meg a fény színe, amit a tárgy elnyel vagy visszaver. Atomi szinten elektronok keringenek az atom magja körül. Ha egy elektron fotonként működik és elnyel egy részecskényi fényt, akkor az elektron áttér egy más pályára az atommag körül.
Közel száz évvel korábban már kísérleteztek különböző felmelegített gázokkal, amiből arra következtethettek, hogy bizonyos típusú atomok csak bizonyos meghatározott frekvenciájú fényt bocsátanak ki vagy nyelnek el. Például az a látható fény, amit hidrogén atomok bocsátanak ki, kizárólag négy színből állhat.
Ennek az elvnek az alátámasztásával éveket töltöttek fizikusok. Próbáltak felállítani egy formulát és modellt, ami megjósolhatja a különböző atomok milyen színű fényt bocsátanak ki.
Végül a dán fizikusnak, Niels Bohrnak sikerült összerakni a puzzle részleteit, felfedezve, hogy az atomok és más részecskék olyan fizikai törvények alapján működnek, amik teljesen mások azoktól, mint amiket mi a makroszkopikus skálán mérünk és tapasztalunk. Ezért a felfedezésért Bohr 1922-ben meg is kapta a Nobel-díjat.
Ez a legkönnyebben a Föld és elektronok párhuzamával és egyben ellentétével jellemezhető. Ahogy a Föld kering a Nap körül, úgy keringenek az elektronok is az atommag körül. Ez a párhuzam. Azonban míg a fizika törvényei nem korlátozzák, hogy a Föld akár közelebb, akár távolabb kerüljön a Naptól, addig Bohr modelljében az elektronok csak meghatározott távolságú pályán tudnak mozogni az atommagok körül, nem tudnak pályát változtatni.
Emiatt az elektronok csak az olyan fény színét tudják elnyelni, ami összhangban van a két pálya távolságával. Megfordítva pedig a Bohr-modell szerint, ha az elektron egy magasabb energiaszintről egy alacsonyabbra kerül, az atom a két energiaszint közötti energiakülönbségnek megfelelő energiájú fotont bocsát ki.
Az erre az elvre épülő Franck–Hertz-kísérletért pedig James Franck és Gustav Hertz német fizikusok kaptak fizikai Nobel-díjat 1925-ben. Kísérletük alapvetően határozta meg a kvantum- és atomfizika elveit. Ennek ellenére a kvantumfizika számos vonulatát a mai napig nem értettük még meg, még maga Albert Einstein is azt mondta, a kvantum mechanika nem tökéletes.
Mire kell akkor a gép?
Az elmúlt évtizedekben számos dolgot tanultunk meg a kvantummechanikáról. Kezdetben a fizika törvényeit akarták megérteni azon keresztül, hogy megismerik a kvantum rendszereket. Most már inkább az a fő cél, hogy kontrollálni tudjuk ezeket a rendszereket, hogy azok az előre meghatározott módon működjenek.
Ekkor kellett a kvantumfizikát kicsit közelíteni a ma ismert számítástechnikához. Azonban még mindig van különbség a természettudomány és számítástechnika közt. A természettudományok alapja az, hogy a természet adott számunkra egy világot, aminek meg kell értenünk a törvényeit. A számítástechnika világában viszont mi hozzuk a szabályokat, amivel mesterséges rendszereket alkothatunk meg. Akár olyanokat is, melyek a kvantummechanika szabályainak engedelmeskednek, és a természettől teljesen különböznek.
A kvantumszámítógép pont egy ilyen mesterséges kvantum rendszer. Mely lehetővé teszi, hogy az információt különböző kvantum állapotúba kódoljuk, majd kvantum műveleteket hajthassunk végre velük.
De ez már a következő cikk tartalma. Ígérem, most már tényleg eljutunk az egzakt felhasználásáig. 🙂
