Kvantumszámítógép (minden, amit tudni kell róla)

A kvantumszámítógép működése – TARTALOM

1. A kvantumszámítógépek korábban elképzelhetetlen lehetőségeket kínálnak
2. Hogyan működik egy kvantumszámítógép?
3. A kvantumszámítás problémái és megoldásuk
4. A kvantumszámítástechnika alkalmazása és gyakorlati előnyei
5. Kvantumszámítógép vs. klasszikus számítógép: alapvető különbségek
6. Hírek: kvantumszámítógépek 2019-től
7. A kvantumszámítógépek jövője

A kvantumszámítógépek korábban elképzelhetetlen lehetőségeket kínálnak

A kvantumszámítástechnika alapelve, hogy a részecskék kvantumtulajdonságait használják az adatok reprezentálására és strukturálására, majd a kvantumjelenségeket használják fel az adatokon végzett műveletek végrehajtására. Az elemi részecskék kulcsfontosságú tulajdonsága, amelyen a kvantumszámítás elmélete alapul, a kvantumkoherencia.

Mindössze 1000 részecske képes reprezentálni minden számot 1-től 21 000-ig (kb. 10 300), egy kvantumszámítógép pedig az összes számot egyszerre manipulálná. Talán úgy, hogy a részecskéket lézerimpulzusokkal ütik meg. A párhuzamos számítások elvégzésének képessége adja a kvantumszámítógép óriási sebességét a hagyományos gépekhez képest, amelyek az információt szekvenciálisan, egyenként dolgozzák fel.

Mivel az emberi érzékszervek által érzékelt környezetben nem létezik hasonló tulajdonság, nehéz elképzelni. Általánosságban elmondható, hogy az egész kvantumfizika tele van furcsaságokkal és paradoxonokkal az emberi megértés szempontjából. A lényeg azonban az, hogy kis számú részecske, például az elektronok, elképzelhetetlen mennyiségű információt hordozhatnak.

Hogyan működik egy kvantumszámítógép?

Minden egyes részecske egy kvantumbitet képvisel, amely a kvantumszámítógépek alapvető információs egysége. A bittől eltérően nem csak 0 és 1, hanem minden úgynevezett szuperpozíciós állapotot, azaz a 0 és 1 közöttit is magában foglal (lásd az ábrát). A számítás befejezése után azonban a szuperpozíció megszűnik, és minden qubit 0-ra vagy 1-re esik össze - attól függően, hogy a szuperpozíciója melyik határértékhez volt közelebb (lásd az ábrát).

Ez a nullák és egyesek csoportja az eredmény. Az egyetlen egy. Ezt nevezik a legnagyobb valószínűségű eredménynek. A valószínűség szó azt a benyomást kelti, hogy a kvantumszámítógép azért olyan gyors, mert nem számolja ki az eredményeket, hanem csak becsüli azokat. Ez azonban hamis benyomás. A kvantummechanikában a valószínűség nem esély, hanem fogalom. És tökéletesen kiszámítható.

A kvantumszámítás problémái és megoldásuk

A kvantumszámítások megvalósításához a fő szükséglet a részecskék szuperpozícióban tartása, azaz a koherencia megőrzése. De hogyan biztosítható a koherencia a mindenütt jelenlévő elektromágneses tér és más külső hatások ellenére? Valószínűleg elég nehezen. Ki kell tehát dolgozni egy megbízható javító mechanizmust.

Úgy tűnik, hogy ennek hátterében az elemi részecskék egy másik elképesztő tulajdonsága, a kvantum-összefonódás áll, amely a jövőben forradalmasíthatja a távközlési technológiát: az üzeneteket többé nem közvetítenék, hanem teleportálnák. A kvantumszámítógépekben azonban az összefonódott qubitek állítólag megkettőzik az információt. Az összekapcsolt qubitek összehasonlításával egy számítógépes algoritmus felismeri a hibát, és elvégezheti a korrekciót. Egyébként a DNS kettős spirálja is két példányban tárolja a genetikai információt, így minden génnek megvan a maga "biztonsági másolata". A fő probléma maga a mérés.

A szubatomi részecskék világában nem lehet valamit egymástól függetlenül mérni anélkül, hogy egy nem kívánt kölcsönhatás ne okozna változást a részecskék állapotában. Ezért régóta úgy gondolják, hogy amíg egy kvantumszámítógép nem fejezi be a számítást, addig nem lehet nyomon követni, hogy "hogy néz ki". A tudósoknak azonban sikerült olyan módszereket találniuk, amelyek ezt lehetővé teszik.

A kvantumszámítástechnika alkalmazása és gyakorlati előnyei

A kvantumszámítás előnyei még nem teljesen ismertek. A jelenlegi feltételezések szerint néhány feladat, például a kriptográfiai kódok feltörése esetében drámai sebességnövekedést érhetnénk el. Más feladatok esetében azonban ugyanolyan korlátok között szenvedne, mint a hagyományos számítógépek. Hogyan lehetséges, hogy egy kvantumszámítógép csak bizonyos feladatokat gyorsít fel? Nem egyszerűen csak egy gyorsabb számítógépről van szó?

A válasz nem, és a magyarázat a feladatok feldolgozásával kapcsolatos. Az számít, hogy a feladat megoldására fordított idő milyen gyorsan nő a feladat növekedésével. Ezt az időt az algoritmusnak az eredmény eléréséhez szükséges alaplépések számával mérjük.

A probléma az úgynevezett polinomiális problémák, mint például az az eset, amikor egy üzleti utazó az összes város közötti legrövidebb útvonalat keresi, vagy amikor különböző méretű dobozokat próbál úgy elhelyezni a bőröndjében, hogy mindegyik beférjen. Bár léteznek olyan algoritmusok ezekre a feladatokra, amelyek valamivel jobbak, mintha minden lehetséges lehetőséget kipróbálnánk, nem ismert olyan algoritmus, amely jelentősen gyorsabb lenne. Egy kvantumszámítógép számára azonban a polinomiális problémák abszolút ideálisak, mert - mint az elején már kifejtettük - mindent egyszerre tud kiszámítani.

Kvantumszámítógép vs. klasszikus számítógép: alapvető különbségek

A következő bekezdésekben összefoglalunk néhány alapvető különbséget a klasszikus számítógép és a kvantumszámítógép között.

• A klasszikus számítógépek tranzisztorok formájában biteket használnak, amelyek 1 vagy 0 értéket vesznek fel. A kvantumszámítógépek kvantumbiteket (proton, elektron) használnak, amelyek egy úgynevezett szuperpozíciós állapotban egyszerre vehetik fel az 1, 0 vagy mindkét értéket.
• A kvantummechanika tulajdonságai miatt a kvantumszámítógépek bizonyos problémákat sokkal gyorsabban tudnak kiszámítani, mint a klasszikus számítógépek (pl. kriptográfiai problémák).
• A kvantumszámítógépekkel ellentétben a klasszikus számítógépek lehetővé teszik az adatok másolását.
• A klasszikus számítógépek lényegében hibamentesen működnek. A kvantumszámítógépek hibázhatnak a számítások vagy a műveletek végrehajtása során, ezért folyamatosan ellenőrizni kell az elvégzett műveletek helyességét.

Hírek: kvantumszámítógépek 2019-től

Az első kísérlet egy kereskedelmi kvantumszámítógép létrehozására az amerikai IBM óriáscég munkájához köthető. Az IBM Q System One nevű terméket a CES 2019-en mutatták be, és azt lehet mondani, hogy még az "őrült " CES mércéjével mérve is szokatlan újdonságnak számított. A Q System One a kvantumszámítási teljesítmény mellett különösen futurisztikus dizájnjával nyűgözte le a közönséget. De ahogy azt maga az IBM is elismerte, a termékük természetesen tökéletlen volt, a kvantumszámítógép-technológia korlátaira hivatott rámutatni. Érdemes megemlíteni a D-Wave által 2017-ben bemutatott első, megvásárolható kvantumszámítógépeket is. Ezek a számítógépek olyan vállalatoknál találtak gyakorlati alkalmazásra, mint a Google.

A Google bejelentette, hogy elérte a kvantumfölényt

Minden jel arra utal, hogy a számítástechnika új korszaka szó szerint a küszöbön áll. A Google a Nature cikkében jelentette be, hogy a Sycamore nevű kvantumszámítógépe elérte az úgynevezett "kvantumfölényt ". Más szóval, mindössze 200 másodperc alatt megoldott egy olyan rendkívül nehéz feladatot, amelyet egyetlen jelenlegi számítógép sem tudna ésszerű időn belül megoldani. Ebben a konkrét esetben ez a véletlenszerű mintavételezés problémája volt, ahol a számítógép ellenőrzi, hogy egy számhalmaz véletlenszerűen van-e elosztva.

A jelentés egy kis provokációt is tartalmazott az IBM felé: a Google rámutatott, hogy még a világ legerősebb szuperszámítógépének, az IBM Summitnak is nagyjából 10 000 évbe telne megoldania ezt a feladatot. Az IBM azonban szembement ezzel az állítással, mondván, hogy a Google pontatlan információkat közöl, és hogy az ő számítógépük "mindössze " két és fél nap alatt oldotta meg a feladatot. Bármi is legyen azonban a valóság, ez kétségtelenül hatalmas mérföldkő a számítástechnika területén. Lassan, de biztosan a Google olyan bizonyítékokat gyűjt, amelyek megerősíthetik, hogy a hasznos kvantumszámítógépekkel teli jövő lehetséges, és nem is túl távoli.

A kvantumszámítógépek jövője

A kvantumszámítógép biztosan nem fogja felforgatni a világot, de a gyakorlatba való bevezetése számos alapvető változást hozhat magával. A mai, internetes pénzforgalomban használt kriptográfiai kódok használhatatlanná válnak, mert a kvantumszámítógépek úgy feltörnék őket, mint a diót.

Az adatközpontok kétségtelenül gyökeres átalakuláson mennek majd keresztül, amikor eljön az az idő, hogy a kvantumszámítógépek villámgyors keresést biztosítanak számukra a fájlok között, különösen a rendezetlen adatbázisokban. Az integrált áramkörök miniatürizálásában elért további fejlődés a fizika törvényeibe fog ütközni, így a technológia szubatomi szintre való átállása elkerülhetetlennek tűnik. A kvantummechanika megszelídítése azonban nem lesz sem gyors, sem könnyű.