Mi az a kvantumszámítógép, és miből áll ez? Nem minden számítógép jogosult ilyen névre. Miért van ez így és miért van szükség ilyen installációkra, magyarázza Christopher Monroe, a Marylandi Egyetem professzora és a globális „kvantumverseny” egyik vezető szereplője.
Az Orosz Kvantum Központ rendszeresen tart nagyméretű nemzetközi konferenciákat Moszkvában a kvantumtechnológiák fejlesztésére és azok gyakorlati alkalmazására. Nem csak a vezető kutatók vesznek részt a munkájában, hanem a nagy orosz és külföldi vállalkozások képviselői, valamint kormányzati tisztviselők is.
Idén a konferencián három összetett kvantumszámítási rendszerek létrehozásával foglalkozó tudományos csapat vezetõi vettek részt. Mihail Lukin mellett, a Harvard Egyetem (USA) professzoránál, aki az előző konferencián először bejelentette egy rekordszintű 51-bites számítógép létrehozását, Christopher Monroe és Harmut Neven professzorok is részt vettek benne.
Monroe, aki ma a Marylandi Egyetemen (USA) dolgozik, hasonló, de kissé eltérő elveket használva szinte egyidejűleg készített egy hasonló gépet az orosz-amerikai társával.
Beszélt arról, hogy milyen irányban fejlődik ez a rendszer, hogyan különbözik a "versenytársaktól", és hol határolódik a valódi kvantum számítógépek, amelyek teljes mértékben megfelelnek ennek a kifejezésnek, valamint a számítástechnikai rendszereknek, amelyek a klasszikus alapelvek alapján épülnek fel.
Kvantum fölény
A kvantumszámítógépek olyan speciális számítástechnikai eszközök, amelyek teljesítménye exponenciálisan növekszik a kvantummechanika törvényeinek a munkájuk során történő alkalmazása miatt. Minden ilyen eszköz kvbitből áll - memóriacellákból és egyidejűleg olyan primitív számítási modulokból, amelyek képesek nulla és egy közötti értéktartományt tárolni.
Promóciós videó:
Manapság két fő megközelítés létezik az ilyen eszközök fejlesztésében - a klasszikus és az adiabatikus. Az elsők támogatói egy univerzális kvantumszámítógépet próbálnak létrehozni, amelyben a kvitek betartanák a szokásos digitális eszközök működésének szabályait. Ideális esetben egy ilyen számítástechnikai eszközzel való munka nem különbözne nagyon attól, mint a mérnökök és a programozók a hagyományos számítógépeket működtetik.
Egy adiabatikus számítógépet könnyebben lehet létrehozni, de működési elveiben közelebb áll a 20. század elején működő gépek, csúszó szabályok és analóg számítógépek hozzáadásához, és nem a korunk digitális eszközeihez. Vannak olyan hibrid megközelítések is, amelyek kombinálják mindkét gép tulajdonságait. Közülük, Monroe szerint, Mihhail Lukin számítógépének tulajdoníthatók.
Monroe szerint ennek oka az a tény, hogy gépe memóriacellái a ritkaföldfémek ytterbium ionjaira épülnek, amelyek állapota nem változik, ha lézersugárral manipulálják. Lukin kvantumszámítógépe viszont az úgynevezett Rydberg-atomokon épül, amelyek nem védettek az ilyen behatásoktól.
Ezek a rubídium-87 vagy más alkálifémek atomjai, amelyek szabad elektronját nagy távolságra "tolják" a magtól speciális lézer- vagy rádióhullám-impulzusok segítségével. Emiatt az atom mérete körülbelül egymilliószor növekszik, és ez kvadrává alakul, de - amint Monroe kifejtette - nem engedi megmozgatni anélkül, hogy deformálná ezt a szerkezetet és megsemmisítené a kvantumállapotokat.
Az ilyen problémák hiánya az ionokban - az amerikai fizikus szerint - lehetővé tette csapata számára, hogy ne hibrid, hanem teljesen vezérelt kvantum számítógépet hozzon létre, amelynek kvótáit a tudósok közvetlenül a számítás során manipulálhatják.
Például három évvel ezelőtt, jóval a nagyobb gépek létrehozása előtt, Monroe és csapata bejelentette, hogy sikerült létrehozniuk az első újraprogramozható kvantumszámítógépet, amely öt memóriacellából állt. Ez a szerény gép, a nagy rugalmasságának köszönhetően, lehetővé tette a fizikusok számára, hogy egyszerre több kvantumprogramot hajtsanak végre.
Különösen sikerült futtatniuk a Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani algoritmusokat ezen a mini számítógépen, valamint létrehozniuk a Fourier-transzformációk kvantuma változatát, a kriptográfia és a törés sarokkövét.
Monroe megjegyzi, hogy ezek a sikerek, valamint a nagy mennyiségű ion csapdákban tartásának nehézségei arra késztették őt, hogy a kvantumszámító rendszereket moduláris, nem pedig monolitikus felépítésű rendszerekre kell építeni. Más szavakkal, a "komoly" kvantumszámítógépek nem egyetlen egészet képviselnek, hanem egyfajta hálózatot, amely sok hasonló és meglehetősen egyszerű modulból áll.
Nem tökéletes vákuum
Ilyen rendszerek, amint azt az amerikai professzor megjegyezte, már léteznek, de még nem használják a kvantumszámítógépek prototípusaiban egy egyszerű ok miatt - százszor lassabban működnek, mint maguk a kvitek. Mindazonáltal úgy véli, hogy ez a probléma teljesen megoldható, mivel inkább műszaki, mint tudományos természetű.
Egy másik lehetséges probléma, amely zavarja a monolitikus vagy éppen nagy kvantumszámítógépek munkáját, az, hogy a vákuum, amint Monroe állította, nem tökéletes. Mindig kevés molekulát tartalmaz, amelyek mindegyike ütközik az atomi kvitekkel és zavarhatja munkáját.
Ennek egyetlen megoldása az, ha a kvantumszámítógépet tovább hűtik, a lehető legközelebb az abszolút nullához. A Monroe csapata még nem foglalkozik ezzel, mivel a gépeikben a kvitek száma kicsi, ám ezt a problémát a jövőben mindenképpen meg kell oldani.
A moduláris megközelítés, amint azt az amerikai professzor javasolja, újabb módja lesz ennek a problémának a megoldására, mivel lehetővé teszi a számítógép bontását számos független részre, amelyek viszonylag kis számú kvitet tartalmaznak. Elméletileg nem fog működni olyan gyorsan, mint egy monolitikus gép, de megkerüli a "tökéletlen vákuum" problémáját, mivel a modulokat könnyebben lehet hűteni és ellenőrizni.
Mikor lesz ez az idő? Amint Monroe javasolja, az elkövetkező három-öt évben olyan gépek készülnek, amelyek több száz kvitet tartalmaznak. Képesek lesznek több tízezer művelet végrehajtására, és nem igényelnek szélsőséges hűtést vagy hibajavító rendszereket.
Az ilyen gépek sok összetett gyakorlati problémát meg tudnak oldani, de nem lesznek teljes értékű számítógép a szó klasszikus értelmében. Ehhez növelnie kell a kvitszámot, és „meg kell tanítania” őket a munkájukban elkövetett hibák önálló javítására. A fizikus szerint ez további öt évig tart.
A verseny utolsó szakasza
Az első komplex kvantumszámítógépeket, Monroe szerint, ionos vagy atomi technológiák alapján fogják felépíteni, mivel a kvitet minden más változata, beleértve az ígéretes félvezető memóriacellákat, még nem érte el hasonló fejlettségi szintet.
„Eddig ezek mind egyetemi laboratóriumi kísérletek. Ezek a kvitek nem használhatók teljes logikai kapuk létrehozására. Ezért egyetértek Mikhail-lal abban, hogy ausztráliai kollégáinknak, az Intelnek és más csapatoknak sok gyakorlati problémát kell megoldaniuk, mielőtt teljes értékű számítási rendszert hozhatnak létre”- jegyzi meg a fizikus.
Hogyan lehet meghatározni a győztest ebben a „kvantumversenyben”? Két évvel ezelőtt Monroe és kollégái megpróbálták megválaszolni ezt a kérdést az kvantumszámítógépek első összehasonlító tesztelésének megszervezésével. A szupravezető kviteken alapuló IBM kvantumszámítógépet választották versenytársuknak a gépük első verziójához.
Összehasonlításuk céljából a Marylandi Egyetem fizikusai és programozói elkészítették az első "kvantum-referenciaértékeket" - egyszerű algoritmusokat, amelyek ezen számítógépek pontosságát és sebességét is mérik. A teszt nem tárt fel közvetlen győztest - a Monroe és csapata számítógépe pontosan nyert, de sebességét elvesztette az IBM gép számára.
Monroe ugyanakkor úgy véli, hogy az úgynevezett kvantum fölény - kvantumszámítógép létrehozása, amelynek viselkedését más módszerekkel nem lehet kiszámítani - nem lesz valami komoly tudományos vagy gyakorlati eredmény.
„A probléma maga a koncepcióban rejlik. Egyrészről öt tucat kvbittel végzett kísérleteink, mint Mikhail kísérletei, segítettek kiszámítani azokat a dolgokat, amelyeket egyébként nem lehet kiszámítani. Másrészt ezt nem lehet felsőbbrendűségnek nevezni, mivel nem bizonyíthatjuk, hogy valóban nem lehet más módon kiszámítani. A kvantum fölény előbb-utóbb meg fog jelenni, de személy szerint nem fogok üldözőbe lépni”- hangsúlyozta a tudós.
Egy másik nehézség abban rejlik, hogy még nem tudjuk biztosan megmondani, mely problémákat tudják megoldani a kvantumszámítógépek, és ahol alkalmazásuk a leginkább indokolt és hasznos. Ehhez szükséges, hogy mind a tudományos környezet, mind az egész társadalom megértse az ilyen gépeket megfizethető és univerzális eszközként.
Az univerzum kvantum rejtélyei
Ezért az amerikai professzor nem gondolja, hogy az olyan adiabatikus számítási rendszereket, mint a D-Wave eszközök, kvantumszámítógépeknek lehetne nevezni. Munkájuk a fizikus szerint teljesen klasszikus fizikai alapelveken alapszik, amelyeknek semmi köze nincs a valódi kvantummechanikához.
„Ennek ellenére az ilyen analóg számítógépek gyakorlati szempontból rendkívül érdekesek. Egyszerűen elvehet néhány mágnest, rögzítheti őket egy háromszög alakú hálóhoz, és nyomon tudja követni viselkedésüket. Ezeknek a kísérleteknek semmi köze nincs a kvantumfizikához, ám ezek lehetővé teszik néhány komplex optimalizálási számítást. A befektetők érdekli őket, ami azt jelenti, hogy ezt nem hiába tették”- folytatja a professzor.
Milyen feladatokat tud megoldani egy "igazi" kvantum számítógép? Mint Monroe megjegyezte, az elmúlt években sok más fizikus csapat felvette a kapcsolatot a csapatával. Gépeiket sok fontos tudományos probléma megoldására tervezik használni, amelyeket a hagyományos számítógépen nem lehet kiszámítani.
Eddig ugyanazok a kísérletek, mint ahogy a fizikus elismerte, elvégezhetőek szokásos szuperszámítógépeken is. Másrészről, az elkövetkező években a kvantumszámok száma kvantum gépekben jelentősen növekszik, ami munkájukat kiszámíthatatlanná teszi.
Ez kibővíti alkalmazhatóságát, és az ilyen kísérleteket az egyik legérdekesebb és egyedi módszernek tekinti az univerzum legnagyobb és leginkább titokzatos tárgyainak tanulmányozására, valamint számos mindennapi feladat megoldására, például útvonalak keresésére vagy a gazdaság irányítására - zárja be a kutató.
