Közeledik a „kvantumtél”?

Jön a „kvantumtél”? – TARTALOM

1. Kvantumbit avagy qubit
2. A kvantum PC-k tervezése rendkívül összetett feladat
3. A kvantumszámítógépek szoftvere is problémás lesz

Kvantumbit avagy qubit

Hossenfelder szerint a probléma nem magában a kvantumszámítások elvében van, hanem abban, hogy nagyon nehéz sok qubittel rendelkező gépeket létrehozni és azokat kontrollált állapotban tartani. A qubit hasonló alapvető információegység, mint a bit, míg azonban a bit csak két állapot egyikét veheti fel, a qubit azok köztes állapotait is reprezentálhatja. A qubitekkel végzett számítások kvantumkapuk segítségével elméletileg teljesen reverzibilisek, a gyakorlatban azonban nehéz a kvantumállapotokat fenntartani és viszonylag gyorsan lebomlanak.

Hossenfelder kritikája több területre összpontosul. Először is ott van a hővel kapcsolatos probléma, mert bár több módszer létezik a qubitek fizikai megvalósítására, a gyakorlatban az abszolút termodinamikai nullához közeli üzemi hőmérsékletet követelnek – még alacsonyabbat is, mint az űr hőmérséklete. Ilyen hőmérsékletet nagyon bonyolult és nagyon energiaigényes létrehozni, ipari méretű hűtést igényel.

Másodszor, még ilyen állapotban is a qubitek rendkívül érzékenyek bármilyen zavaró körülményre, ami befolyásolhatja őket, így a kvantumeszközök speciális és tökéletesen szigetelt konstrukciókat igényelnek. A jelenlegi kvantumszámítógépek messze vannak például az okostelefonoktól, amelyeket még séta közben is használhatsz – még a puszta mechanikai rezgések is jelentősen bonyolítanák a működésüket.

A kvantum PC-k tervezése rendkívül összetett feladat

A harmadik súlyos probléma a spontán dekoherencia (az eredeti állapot elvesztése, amely az idővel egyre fokozódik) és a szomszédos qubitek zavarása (crosstalk), ami azt okozza, hogy nagyon nehéz megvédeni a rendszert a hibák keletkezésétől. Ma már ismertek olyan módszerek, amelyekkel a hibákat észlelni és javítani lehet, de ezek további ellenőrző qubiteket igényelnek, amivel a konstrukció bonyolódik. A kvantumszámítógépek különböző építési elvei hosszabb vagy rövidebb időtartamokat eredményeznek, amikor spontán dekoherencia következik be, de ez mindig bekövetkezik, és ezzel a hatással számolni kell.

A negyedik probléma egy nagy számítógép építése, amely képes lenne valóban komplex problémák megoldására. 2022 novemberében az IBM bemutatta az IBM Osprey kvantumszámítógépet 433 qubittel, de Hossenfelder szerint gyakorlati problémák megoldásához 100 000 és 10 000 000 qubit közötti rendszerre van szükség. Egy valódi kvantumszámítógépnek nemcsak elegendő qubittel kell rendelkeznie, hanem azokat kellően jól kell kontrollálnia is. Ma magas zajszintű kvantumszámítógépekben (High Noise Quantum Computing) gondolkodnak, amelyek bizonyos mértékig képesek lennének tolerálni a zaj létezését, és ezen az úton próbálnak eljutni a valódi kvantumszámítógépekhez.

A kvantumszámítógépek szoftvere is problémás lesz

Az utolsó kritika az algoritmusokra vonatkozik. A kvantumalgoritmusok listája egyelőre nem túl hosszú és csak néhányuknak van gyakorlati alkalmazása, amelyek közül is csak néhány mutat jelentősen jobb teljesítményt a klasszikus számítógépekhet viszonyítva. A technológia fokozatos fejlődése tovább folytatódik, de Hossenfelderová óva int a buborék kipukkadásától, miközben már jelentős beruházások történtek a kvantumszámítógépekbe: szerinte a kvantumszámítógépek fejlesztése csak kis léptékekben fog haladni és az előnyeik korlátozottak lesznek.

Igen, vannak területek, ahol a kvantumszámítógépek tényleg jók, például jelentősen gyorsabban tudnak nagy számokat faktorizálni (vagyis prímszámokat keresni, amelyek összeszorzásával az a nagy szám keletkezik). Ezt a Shor-algoritmus segítségével végzik, és jelentős gyorsítást kínál a nyilvános és privát kulcson alapuló titkosítások feltörésében. Hossenfelder azonban felhívja a figyelmet, hogy ez csak a ma használt titkosításokra vonatkozik, mert már hosszabb ideje ismertek és már el is kezdték implementálni az úgynevezett posztkvantum kriptográfiából (Post-quantum Cryptography) származó titkosításokat, amelyeket a hétköznapi számítógépek is használhatnak, és amelyek feltörésére mind a klasszikus, mind a kvantumszámítógépek képtelenek.

Még mindig van rá esély, hogy valamilyen technológiai áttörés történik, de ha ez nem következik be, a kvantumszámítógépek jelentősége főleg a kutatásra és fejlesztésre korlátozódhat. De még ha sikeresek is lennének, egyértelmű, hogy a klasszikus számítógépek többségét nem fogják helyettesíteni. A klasszikus számítógépek nagy teljesítményűek, megbízhatóak, jól bevált eszközök – és nem igényelnek extrém hűtést a működésükhöz.