Mit nevezünk kvantumszámítógépnek?
– Olyan gépet, amely a számítások közben a biteket – az információ alapegységét – kvantumos szuperpozícióban és egymással kvantumosan összefonódva tudja tartani.
– Ebből az átlagember két dolgot biztosan nem ért: a kvantumos szuperpozíciót és a kvantumos összefonódást. Mit jelent ez a két kifejezés?
– Egy példa: a hidrogén atommagja körül az elektron valamilyen furcsa módon itt is, ott is és amott is van. Az összes lehetséges hely egymásra rakódik, ez a szuperpozíció. Többelektronos atomok esetében ráadásul nemcsak hogy mindegyik elektron a helyek szuperpozíciójában van, de függnek a többi elektron helyzetétől, állapotától. Azaz kvantumosan összefonódtak.
Összefonódás
– A szuperpozícióból és összefonódásból hogyan lesz gyors számítási eredmény?
– Legtipikusabban úgy, ha a számítás célja egy olyan jelenség szimulálása, amely a kvantumos szuperpozíción, összefonódáson alapul. Ilyenek például azok a bonyolult kémiai reakciók, amelyek során a légköri nitrogént enzimek a növények számára előkészítik, hogy abból az élethez szükséges aminosavakat, fehérjéket tudják szintetizálni. A nitrogenáz enzim a levegőben a nitrogén molekuláit összetartó erős hármas kötéseket felbontja, de nem teljesen értjük, hogyan. Az iparban ezért más, energiaigényes módon gyártják a műtrágyát. Az emberiség összes energiafelhasználásának nagyjából egy százaléka ehhez kell. Egy kvantumszámítógép, amely szimulálja az enzim okos reakcióját, ötletet adhat, hogyan lehet azt iparilag megvalósítani. Van néhány olyan eset is, amikor a számítási feladatnak látszólag semmi köze a kvantumfizikához, de mégis használhatók a kvantumos trükkök. Az első fontos példa erre 1994-ből származik: ekkor alkotott meg Peter Shor amerikai matematikus hatékony kvantumos algoritmust nagy számok prímtényezőkre bontásához.
Ez azért fontos, mert több titkosítási protokollnál a biztonságot az adja, hogy a szorzatra bontás nehéz: kvantumszámítógéppel tehát a titkosítási eljárások, köztük a mai internet biztonságát adók is, feltörhetők.
– Miért nem jók már a hagyományos számítógépek?
– Nagyon is jók azok, a legtöbb célra soha nem váltják fel ezeket a kvantumszámítógépek. Nem arról van szó, hogy az utóbbiak lényegesen gyorsabbak lennének a hagyományosoknál, hanem másféle programok tudnak futni rajtuk. Néhány nehéz feladatnál ezek a másféle programok hoznak előnyt: ahogy a feladat bonyolultsága nő, a kvantumszámítógépek előnye ezeknél a feladatoknál egyre nagyobb.
Kezdeti lépések
– Évek, évtizedek óta beszélnek a kvantumszámítógépekről, de még mindig csak a kezdeti lépéseknél tartunk. Miért?
– A kvantumszámítógéphez kvantumbitek kellenek. Ezeket a környezettől nagyon jól el kell szigetelni, hogy megtartsák törékeny kvantumállapotaikat, másrészt viszont a kísérletező kénye-kedve szerint kell hogy tudja vezérelni őket: műveletekhez, kiolvasáshoz. Ez a két követelmény együtt nagyon nagy kísérleti kihívás. Pillanatnyilag legígéretesebb a szupravezető nyomtatott áramkörös technológia, ezzel már mintegy száz kvantumbitet sikerült egy csipre integrálni. Az áramkört azonban közel abszolút nulla fokra kell folyamatosan hűteni (speciális folyékony héliumos hűtőrendszerrel), hogy elérjük a kvantumos működés tartományát.
– Mire elég száz kvantumbit?
– Ez élénken kutatott téma. A legjobban ismert kvantumos algoritmusokhoz, amelyekről beszéltünk, száz helyett néhány millió kvantumbit kellene egy csipen. De talán a mai, zajos, kevés kvantumbites prototípusok is hasznosak lehetnek a hagyományos számítógépek kiegészítőiként, „kvantumos gyorsítóként” különféle optimalizációs feladatokban.
Egymás után nőnek ki a földből azok a startupok, amelyek ezeket a lehetőségeket keresik.
– Hol épül meg az európai kvantumszámítógép?
– Nincs még kijelölve a helyszín. A konzorcium a legsikeresebb európai kvantumszámítógép-építőket igyekszik egy közös, együttműködő csapatba kapcsolni – ők mind a saját helyszíneiken fejlesztenek. Az is lehet, hogy több gép is lesz.
