Küszöbön a valóban működőképes kvantumszámítógép

Ha beválnak a jóslatok, néhány éven belül forradalmasítják az összes olyan nagy számítási igényű alkalmazást, mint például a időjárás- vagy a közgazdasági előrejelzés.

A kvantumszámítógép kissé hasonló divatos szó az informatikában, mint az őssejtek, a géntechnológia, a személyre szabott orvoslás a medicinában. Ennek a hasonlatnak egyesek szerint pejoratív éle is van, hiszen a kvantumkomputerek megvalósítása – elméleti előnyeik dacára – hasonló gyakorlati nehézségekbe ütközik, mint az orvoslásból hozott fenti példák klinikai alkalmazása. Ugyanakkor nem állíthatjuk, hogy az ügy teljesen reménytelen lenne, hiszen lassan, de növekszik a kísérleti kvantumprocesszorok teljesítménye, és a legnagyobb technológiai világcégek, legfőképpen a Google és az IBM már a kereskedelmi forgalomba hozható típusokat tervezik, tesztelik.

Az IBM két hónapja jelentette be az eddigi legerősebb kvantumszámítógép felépítését, míg a Google az év végéig ígéri a rendkívül jól hangzó quantum supremacynak (kvantum fölénynek) nevezett rendszere leleplezését, amely a cég szerint olyan képességekkel fog rendelkezni, amelyhez nem hasonlítható egyetlen más létező számítógép sem – írja a Scientific American. A rendszeres hírek dacára kevesen tudják, hogy már ma is léteznek kvantumszámítógépek, bár ezek még inkább csak demonstratív célokra használhatók, valós számításra még nem. Pedig, ha beválnak a jóslatok, a kvantumszámítógépek néhány éven belül forradalmasítják az összes olyan nagy számítási igényű alkalmazást, mint például a időjárás- vagy a közgazdasági előrejelzés.

A jelenleg létező rendszerek alapvetően két megközelítést alkalmaznak. Az egyik központjában az abszolút nulla fok közelébe hűtött, így szupravezetővé tett tekercs áll, míg a másikban itterbium ionokat tartanak lézersugárral egy helyben a vákuumkamrában. Mindkét rendszerben az oszcilláló elektromos töltések töltik be a klasszikus informatika bitjeinek szerepét (ezért őket kvantumbiteknek, röviden kvibiteknek, angolul qubiteknek hívják). A ma is működőképes kvantumprocesszorokban csak néhány qubit üzemel. Az IBM legutóbb bejelentett számítógépében 16 bit dolgozik, a Google-ében 20, míg utóbbi cég quantum supremacy nevű rendszerében 49 qubit lesz az ígéretek szerint.

Ez mind megsüvegelendő teljesítmény, ugyanakkor a kvantumszámítógépektől elvárt csodával határos teljesítmény eléréséhez minimum több száz, de inkább több ezer qubitre lesz szükség. Ezek eléréséhez azonban még számos technikai problémát kell legyőzni. Ugyanakkor azt is érdemes tudni, hogy nem teljesen állja meg a helyét az, ha a qubiteket a klasszikus bitekhez hasonlítjuk. Míg utóbbiaknak csak két állapotuk lehetséges (1 és 0), a qubitek gyakorlatilag végtelen számú állapotban létezhetnek a kvantummechanika törvényeinek megfelelően. Így a qubitek információtartalma sokkal több lehet a bitekénél.

Emiatt a qubitek segítségével egyszerre számos számítás végezhető el, és a számítógép kapacitása a qubitek számának növelésével exponenciálisan nő. Ez azt jelenti – egy, a Scientific Americannak nyilatkozó fizikus szerint –, hogy az 50 működő qubit teljesítménye már tízbilliárd (az egyes után 16 nulla van) klasszikus bitnek felel majd meg, mely meghaladja az összes létező hagyományos számítógép kapacitását. Viszont a helyzet bonyolultabb annál, hogy egyszerűen növelni kell a qubitek számát, és akkor a teljesítmény is nőni fog. Ugyanis minél több a qubit, annál több hiba keletkezik a rendszer működése során, és ez akár azt is okozhatja, hogy a komputer teljesítménye éppenséggel romlik. A qubitek szaporítása és a működés hatékonyságának együttes növelése azonban igen körülményes feladatnak ígérkezik.

A szupravezető tekerccsel működő kvantumprocesszorok nagyon gyorsak, de bennük a részecskék csak néhány milliszekundumig tartják meg a kvantumállapotukat. A vákuumban lézerrel helyükön tartott részecskékkel dolgozó rendszerek ezerszer lassabbak, viszont a kvantumállapot bennük hosszú percekig fenntartható. Amint látható, mindkét megközelítésnek megvannak a maga előnyei és hátrányai. De a qubitek számának növelésével a klasszikus fizika is közbeszól. Minél több atomot és elektront tartalmaz ugyanis a rendszer, annak működésére egyre kevésbé a kvantummechanika, hanem a klasszikus fizika törvényei hatnak. Ezáltal lassan elvesznek a kvantumszámítógép működése szempontjából alapvető jelentőségű jellegzetességei.

Azt, hogy pontosan mire lesznek jók az ezres nagyságrendű qubitet tartalmazó kvantumszámítógépek, még maguk a kutatók sem sejtik. A legtöbben úgy nyilatkoztak, hogy először meg kell építeni ezeket, és csak utána derül ki, hogy mire is lehetnek jók. De ugyanezek a szakértők abban bíznak, hogy a kvantumszámítógépek ugyanúgy át fogják formálni életünket, mint a jelenlegi számítógépek vagy az internet.