A kvantumszámítógép a számítástudomány egyik legnagyobb, jelentőségében és várható hatásaiban csak a napjainkat és nyilván a jövőt is meghatározó mesterséges intelligenciához hasonlítható ígérete.
A technológia paradox módon, szimultán gyorsan és lassan is fejlődik: az elvárásokhoz és a benne rejlő potenciálhoz képest lassan – pontosabban mi, felhasználók vagyunk türelmetlenek vele –, másrészt, ahhoz képest, hogy mennyire fiatal, bő harmincéves diszciplína, az eredmények látványosak, bár kétségtelen tény: kézzelfogható, az átlagfelhasználó által személyesen, saját élményeken keresztül is megtapasztalható kvantumszámítógép még nincs, és egyhamar nem lesz.
Alapvetően nem is ez a rendeltetése.
Kvantumszámítógép-történelem
Kvantummechanika és számítástudomány sokáig két teljesen különböző kutatási területnek számított: Az egyikkel a matematikai pontosságot érvényesítve, a hagyományos fizika szabályainak megfelelve végzünk műveleteket, a másik az elemi részecskék azon tartományának jelenségeit vizsgálja, ahol már nem érvényesülnek a hagyományos fizika (elektrodinamika) szigorú szabályai.
Egyszerű fotonok módosítása
Az 1980-as években, a digitális számítógépek látványos fejlődésének eredményeként – gyorsabbak lettek, nagyobb feldolgozó- és tárolókapacitással rendelkeztek – fizikusok kvantumdinamikai jelenségek szimulálásával próbálkoztak. Többen, például Richard Feynman javasolták, hogy kvantumjelenségeken alapuló hardverrel eredményesebbek lehetnek az ilyen szimulációk. A kvantumelméletet először 1984-ben alkalmazták titkosítási protokollokra, és megalapozták az információbiztonságot jelentősen növelő kvantumkriptográfiát.
Közben megszületett a kvantumszámítógép elmélete, az első kvantumalgoritmusokat a terület úttörője, David Deutsch fejlesztette, aztán Peter Shorr az 1990-es évektől végzett rendkívül fontos munkát. A terület fejlődése a 2010-es években gyorsult fel.
2024-ben a klasszikus komputerek az információbiztonság kivételével az összes „valóvilágbeli” probléma megoldásában felülmúlják a kvantumszámítógépeket, amelyekkel viszont elvileg nagyon fontos matematikai problémákra lehet sokkal rövidebb idő alatt megoldást találni, de tényleg praktikus feladatokra még csak elvétve alkalmazhatók.
A potenciális alkalmazások négy (tág) kategóriába sorolhatók: kiberbiztonság, adatelemzés és mesterséges intelligencia, optimalizálás és szimuláció, adatkezelés és keresés. Az állami és a magánszektorban is drasztikusan nőnek a befektetések, a felhasználói esetek viszont még mindig nagyon kísérletiek és elméletiek.
A rendszer beállítása
Mindebből az következik, hogy a közeljövőben nem számíthatunk nagy áttörésre, ugyanakkor, tűnjenek bármennyire egyedinek, minden kis (?) lépéssel közelebb kerülünk hozzá.
A világ legkisebb kvantumszámítógépe
A tajvani Tsing Hua Nemzeti Egyetem (NTHU) kutatói különleges rendszerrel lepték meg a kvantumszámítástechnikát: létrehozták a világ legkisebb egyfotonos kvantumkomputerét. Az úgynevezett Shor-algoritmust használva, oldottak meg dobozméretű gépükön matematikai problémát. A fejlesztésnél komoly akadályokat hárítottak el, sikerült kezelniük az alacsony hőmérséklet és a nagy energiaigény kérdését.
Munkájuk különleges részecskére, az elektromágneses interakcióban aktív, 32 dimenziós fotonon alapul.
Kvantum-áramkör
A rezgések vagy a mágneses mező miatti információveszteség, számítási hibák gyakori jelenségek. A fotonok, a fény elemi részecskéi viszont kevésbé érzékenyek az interferenciára, jobbak az átvitelben, így kereskedelmi rendeltetésű kvantumszámítógépek fejlesztésénél is komoly előnyt jelentenek. Az adatátvitel fotonikával, az adatfeldolgozás kvantumfizikával történik, és míg digitális számítógépeink legkisebb egysége a bit 0-ként vagy 1-ként funkcionál, addig egy kvantumbit (qubit) egyszerre lehet 0 és 1 is. A kvantumszámítógépek e tulajdonságuk miatt képesek bonyolultabb műveletek akár százmilliószor gyorsabb elvégzésére.
A szélesebb körben hozzáférhető és méretezhető kvantumtechnológia felé tett egyik legfontosabb lépés az Innsbrucki Egyetem kutatóihoz fűződik: két szabvány (1,7 köbméteres) szerver rack-szekrényben működő kvantumprocesszort fejlesztettek. Az eszköz teljesítménye megegyezik a nagyobb laboratóriumi modellekével, akár 50 qubit használatát is támogatja, üzemeltetéséhez nincs szükség kvantumszámítógépes szakemberekre. Kalcium-ion optikai qubiteket használ, a kvantum-összefonódás az ionok állapotát megváltoztató lézeres impulzusokkal valósítható meg. A processzor architektúrája moduláris.
Ez a fejlesztés alapozta meg a tajvanit.
Miért komoly áttörés a tajvani fejlesztés?
Tartóssága és méretezhetősége miatt a fotonika a kvantumtechnológiák ígéretes alkalmazási platformja. A tajvani kutatók a Shor-algoritmus sikeres megvalósításával, egyetlen fotont saját hullámcsomagján belüli 32 idősáv-mód (dimenzió) kódolásával és manipulálásával értek el nagyon fontos eredményt. Demonstrálták, mire képes a fotonika.
Elmondták, hogy kereskedelmi forgalomban beszerezhető elektrooptikai modulátorokkal, 40 GHz sávszélességen akár 5 ezer idősáv-mód is kódolható egyetlen fotonnal!
Kvantumbitek módosítása
A nagyon magas dimenziók elérése komolyabb kihívás, mint qubitekkel dolgozni, megfelelő technológiával azonban hatékonyan előkészíthetők, kivitelezhetők. Sokdimenziós kvantumkapukkal javulnak a számítások, ráadásul ezek az állapotok jobban ellenállnak a kvantumcsatornákban jelentkező zajnak. Összességében a sokdimenziós egyfotonos megoldások komoly ígéretet jelentenek, például könnyebben, az interferenciát (tehát a zajokat) drasztikusan csökkentve, megvalósítható a nagytávolságú információtovábbítás.
Az egyfotonos technológia komoly előnye még, hogy a laborokban működő kvantumszámítógépekkel ellentétben, nincs szükség hozzá masszív hűtőrendszerekre – hangsúlyozzák az NTHU kutatói.
Az adatbiztonság, a mesterséges intelligencia, az egészségügy, a logisztika optimalizálása lehetnek a fotonikus kvantumszámítások jövőbeli alkalmazási területei. A fotonok egyedi tulajdonságait kihasználva, változatos tudományos és technológiai területeken gyorsabban és jobban megoldhatók velük bonyolult problémák.
Képek: NTHU
