Minél több adatot képesek az informatikai rendszerek előállítani, annál inkább növekszik az igény a számítási kapacitások növelésére is. A kvantumtechnika erre az égető kérdésre megoldást nyújthat. A kvantumszámítógép működése során olyan számítási feladatokat is hatékonyan el lehet végeztetni, amiket a hagyományos számítógép alkalmazásával nem. A kvantumszámítógép képes arra, hogy a számítási feladatokat párhuzamosan végezze el, ehhez azonban a speciális programozási mód elengedhetetlen. Hogy működik a technológia? Mi áll a háttérben és milyen problémákat vet fel? Jöjjenek a részletek!
A kvantumszámítógép működése
A hagyományos számítógép bináris logika alapján működik, egysége a bit.
Az elvégzett számítási folyamatokat tranzisztorok hajtják végre, amik vagy nyitott állásban vannak, vagy pedig zártban. Ez a kettősség adja a logika bináris jellegét, ami 0 és 1 számokkal is leírható. Ezek a tranzisztorok roppant kis méretűek és több milliárd kell belőlük, hogy a feladatokat el tudják végezni.
A kvantumszámítógép működése ezzel szemben a qubit-ek használatára épül.
Ebben az értelmezésben létezik 0, 1, illetve a kettő egyszerre, ez a szuperpozíció nevet viseli, aminek segítségével sokkal több adat tárolása lehetséges.
A kvantumszámítógép taglalásakor szót kell ejteni a kvantum-összefonódás jelenségéről is, ami két kvantum között fennálló kapcsolódást jelöl. Ennek segítségével a kvantum pár egyszerre képes egymásra reagálni. Ha a pár egyik fele megváltozik, akkor azonnal reagál rá a másik is. Ez teszi lehetővé, hogy a kvantumtechnológiában használt algoritmusok sokkal hatékonyabbak és gyorsabbak legyenek.
A kvantumszámítás alapelvei közé tartozik, hogy a gép egy kvantumbit sorozatot kezel. Köszönhetően annak, hogy ezek értéke 0, 1 és szuperpozíciója lehet, így végleten a száma a létrehozható állapotoknak. A qubit-eket egyébként kvantumlogikai kapuk segítségével lehet manipulálni.
Hogyan kezelik a kvantumbiteket?
A kvantumbitek kezelése kihívás, mivel roppant kicsi, mikroszkopikus részecskékről van szó. Ennek ellenére a szakemberek több eszköz közül is választhatnak. Az ioncsapda esetén például optikai és/vagy mágnese tér segítségével irányítják az ionokat, de alkalmaznak szupervezető áramköröket, speciális tranzisztorokat, nanogömböket, amelyek fényként viselkednek, és még folytathatnánk a sort.
A kvantuminternet
A kvantumtechnológia eszközeinek összekapcsolódását és kommunikációját teszi lehetővé a kvantuminternet, ami a kvantummechanika törvényrendszerén belül építkezik. Ez a mai technológiai fejlettséget meghaladja, és az is biztos, hogy egy éles paradigmaváltást fog hozni, ha eléri a megfelelő fejlettségi szintet.
Miért nincs még kvantumszámítógépe mindenkinek?
Jogosan merülhet fel a kérdés, hogy ha a kvantumszámítógép valóban ennyire jó és hatékony, akkor miért nem ezt használja mindenki! Ez több tényezőre is visszavezethető.
Igazán nagy gondot jelent például, hogy a fent leírt szuperpozíció igen instabil és elve csak addig tartható fent, amíg a kvantum állapotát megmérik, ezt követően ugyanis szétesik. Ugyancsak problémát jelent, hogy ezek a számítógépek roppant érzékenyek, különösen a hanghatásokra, a zajra. Ha pedig valami „megzavarja” őket, akkor könnyen vétenek hibát, ami nem kívánatos a számítások során.
Nem egyszerű feladat tehát a megfelelő körülményeket megteremteni. A Google által 2019-ben készített kvantumszámítógép extrém környezeti tényezők között, egy vákuumos kamrában -273 °C-os hőmérsékleten tud csak működni és összehozni 53 qubit-et.
A kvantumszámítógép jelentősége
A kvantumtechnika már több mint 20 éve tartja lázban a világot. Olyan cégek foglalkoznak ezzel a területtel, mint az IBM, a Google és a Microsoft, illetve nem elhanyagolható, hogy kormányzati szinten is kiemelt fontosságúként kezelik a kvantuminformatikai projekteket, kutatásokat, fejlesztéseket. Magyarországon például a Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium foglalkozik ezzel a témával.
Az ügy jelentőségét igazolja, hogy 2018-ban az EU által létrehozott Quantum Flagship alapba például 1 milliárd eurót pumpáltak a kutatások előmozdítása érdekében, de az USA sem tétlenkedett, ők 1,2 milliárd dollárt szántak erre a célra.
A kvantumtechnika egy igen pezsgő, rengeteg kutatócsoportot foglalkoztató terület, ami a gyorsaság és a hatékonyság ígéretével kecsegtetve tett szert ekkora figyelemre. A hagyományos informatikai eszközökhöz képest egy kvantumszámítógép sokkal jobb eredményeket tud hozni, olyan esetekben is, ahol a klasszikus megoldások nem működnek. Hozzájárulnak a mesterséges intelligencia fejlődéséhez, a kémiai reakciók alaposabb megismeréséhez, modellezéséhez és még számos olyan, eddig ismeretlen tudáshoz vezethetnek el minket, amelyek végső soron a világ fejlődéséhez mozdítják előre.