Rónai György
Áttörés a kvantumszámítógépek fejlesztésében
Egy Japán kutatócsoport bejelentése szerint a világon elsőként, megépítették a kvantum számítógépek két alapvető alkotóelemének egyikét. Ez a stabil, szabályozott NOT (CNOT) kapu ugyanolyan alapelemnek számít itt, mint a klasszikus számítógépekben a NAND kapu.
A kvantum számítógépek fejlődése ma még mindig gyerekcipőben jár, és a szakemberek szerint további 10 év is eltelhet, mire használható formában megjelenik. Azonban ha ez egyszer megtörténik, forradalmasítani fogja az egész számítástechnikát, ugyanis egy ilyen kvantum számítógép másodpercek alatt képes olyan számítási feladatok elvégzésére, amire egy klasszikus számítógépnek évmilliókra lenne szüksége.
A kutatócsoportot alapítói a NEC, és a Japán Fizikai és Kémiai Kutatóintézet (RIKEN) elmondása szerint, Tsai Jaw-Shen, a csapat vezetője a napokban sikeresen mutatott be egy olyan CNOT kaput, amely egy stabil állapotú 2 qubit (kvantum bit) eszközben működik. A CNOT kapu az egyike annak a két elemi alkotóelemnek, amelyre szükség van egy kvantum bitekkel dolgozó gép működéséhez. A másik egy úgynevezett egy-qubites forgató kapu, amelyet ugyancsak ez a csapat mutatott be már 1999-ben. Tsai szerint, most, hogy sikeresen bemutatták mindkét építőelemet, már csak kombinálniuk kell őket egy univerzális kapuban, amely minden kvantum számítógép alapvető, elemi egysége lesz.
A qubitek induló állapotát illetően nem csak bináris 1 és 0 tárolására képesek, hanem egyfajta szuperpozícióban is tarthatóak a két állapot között. Ahogy a qubitek száma nő, úgy növekszik a különböző állapotok száma, amelyeket megtestesíthetnek az összekapcsolt kvantum bitek. Két qubit 4 különböző állapotra képes, amelyeket szimultán fel lehet dolgozni, míg három qubit már 8-ra, és így tovább, exponenciálisan növekvően. Így egy gép, amely csak 10 qubitet tartalmaz, már 1024 műveletre képes szimultán, mintha egy hatalmas párhuzamosan feldolgozó egység lenne. Egy 40-qubites 1 trillió műveletre, sőt, egy 100-qubites rendszer már szinte elképzelhetetlenül nagy mennyiségű, egyidejű művelet végrehajtására képes.
Ez a hatalmas teljesítmény például triviálissá tenne olyan számításokat, mint például a prímszámok faktoriálisának keresése, amely a mai leggyorsabb számítógépet is elég rendesen megdolgoztatja. Példaként Tsai a következőt hozta fel. Vegyünk egy 256 bites bináris számot, és Shor algoritmussal próbáljuk meg kiszámítani a faktoriálisát. Ez a feladat az IBM Blue Gene szuperszámítógépének 10 millió évébe kerülne, míg egy kvantum számítógépnek mindössze 10 másodpercre van szüksége a számítás elvégzéséhez.
Mindezek eléréséhez még természetesen rengeteg akadályt kell legyőzni a kvantum számítógépek fejlesztésében. Tsai szerint az egyik legnagyobb feladat az, hogy kiterjesszék azt az időszeletet, amíg a két érintett qubit együtt van, egy olyan állapotban, amelyet quantum összefűződésnek hívnak. A kvantum számítástechnika számára ez az állapot az egyik legkritikusabb, ilyenkor ugyanis a két qubit egyként viselkedik, annak ellenére, hogy valójában nincs fizikai kapcsolat közöttük. A csapat először ezév februárjában jelentette be, hogy sikerült ilyen állapotban tartaniuk egy pár qubitet. "A koherencia idő a legnagyobb problémánk jelenleg, más problémák megoldására több lehetőségünk is van már, azonban ez egyelőre nagy fejtörést okoz. A koherencia idő, amelyet a kísérletünkben el tudtunk érni, elég rövidnek mondható. Ez nagyjából néhány száz pikómásodpercet jelent. Egy CNOT opreandus időimpulzusa nagyjából 15 pikoszekundum, ez azt jelenti, hogy ilyenkor nagyjából 2 műveletre van idő."
Eiichi Maruyama, a RIKEN egyik vezetője szerint az akadályok ellenére jól haladnak a fejlesztések, viszont azt még mindig nem tudja megjósolni, hogy 10, vagy esetleg csak 100 év múlva lesznek-e elérhetőek a kvantumszámítógépek. Tsai kutatásainak további részleteit mindenki elolvashatja az angol Nature nevű tudományos magazin, október 30-i kiadásában.
A kvantum számítógépek fejlődése ma még mindig gyerekcipőben jár, és a szakemberek szerint további 10 év is eltelhet, mire használható formában megjelenik. Azonban ha ez egyszer megtörténik, forradalmasítani fogja az egész számítástechnikát, ugyanis egy ilyen kvantum számítógép másodpercek alatt képes olyan számítási feladatok elvégzésére, amire egy klasszikus számítógépnek évmilliókra lenne szüksége.
A kutatócsoportot alapítói a NEC, és a Japán Fizikai és Kémiai Kutatóintézet (RIKEN) elmondása szerint, Tsai Jaw-Shen, a csapat vezetője a napokban sikeresen mutatott be egy olyan CNOT kaput, amely egy stabil állapotú 2 qubit (kvantum bit) eszközben működik. A CNOT kapu az egyike annak a két elemi alkotóelemnek, amelyre szükség van egy kvantum bitekkel dolgozó gép működéséhez. A másik egy úgynevezett egy-qubites forgató kapu, amelyet ugyancsak ez a csapat mutatott be már 1999-ben. Tsai szerint, most, hogy sikeresen bemutatták mindkét építőelemet, már csak kombinálniuk kell őket egy univerzális kapuban, amely minden kvantum számítógép alapvető, elemi egysége lesz.
A qubitek induló állapotát illetően nem csak bináris 1 és 0 tárolására képesek, hanem egyfajta szuperpozícióban is tarthatóak a két állapot között. Ahogy a qubitek száma nő, úgy növekszik a különböző állapotok száma, amelyeket megtestesíthetnek az összekapcsolt kvantum bitek. Két qubit 4 különböző állapotra képes, amelyeket szimultán fel lehet dolgozni, míg három qubit már 8-ra, és így tovább, exponenciálisan növekvően. Így egy gép, amely csak 10 qubitet tartalmaz, már 1024 műveletre képes szimultán, mintha egy hatalmas párhuzamosan feldolgozó egység lenne. Egy 40-qubites 1 trillió műveletre, sőt, egy 100-qubites rendszer már szinte elképzelhetetlenül nagy mennyiségű, egyidejű művelet végrehajtására képes.
Ez a hatalmas teljesítmény például triviálissá tenne olyan számításokat, mint például a prímszámok faktoriálisának keresése, amely a mai leggyorsabb számítógépet is elég rendesen megdolgoztatja. Példaként Tsai a következőt hozta fel. Vegyünk egy 256 bites bináris számot, és Shor algoritmussal próbáljuk meg kiszámítani a faktoriálisát. Ez a feladat az IBM Blue Gene szuperszámítógépének 10 millió évébe kerülne, míg egy kvantum számítógépnek mindössze 10 másodpercre van szüksége a számítás elvégzéséhez.
Mindezek eléréséhez még természetesen rengeteg akadályt kell legyőzni a kvantum számítógépek fejlesztésében. Tsai szerint az egyik legnagyobb feladat az, hogy kiterjesszék azt az időszeletet, amíg a két érintett qubit együtt van, egy olyan állapotban, amelyet quantum összefűződésnek hívnak. A kvantum számítástechnika számára ez az állapot az egyik legkritikusabb, ilyenkor ugyanis a két qubit egyként viselkedik, annak ellenére, hogy valójában nincs fizikai kapcsolat közöttük. A csapat először ezév februárjában jelentette be, hogy sikerült ilyen állapotban tartaniuk egy pár qubitet. "A koherencia idő a legnagyobb problémánk jelenleg, más problémák megoldására több lehetőségünk is van már, azonban ez egyelőre nagy fejtörést okoz. A koherencia idő, amelyet a kísérletünkben el tudtunk érni, elég rövidnek mondható. Ez nagyjából néhány száz pikómásodpercet jelent. Egy CNOT opreandus időimpulzusa nagyjából 15 pikoszekundum, ez azt jelenti, hogy ilyenkor nagyjából 2 műveletre van idő."
Eiichi Maruyama, a RIKEN egyik vezetője szerint az akadályok ellenére jól haladnak a fejlesztések, viszont azt még mindig nem tudja megjósolni, hogy 10, vagy esetleg csak 100 év múlva lesznek-e elérhetőek a kvantumszámítógépek. Tsai kutatásainak további részleteit mindenki elolvashatja az angol Nature nevű tudományos magazin, október 30-i kiadásában.
