Kvantumugrás kvantumszámítógéppel

1998 egyik tudományos szenzációjának számított, hogy az IBM, az MIT, a California Egyetem (Berkeley) és az Oxford Egyetem kutatói a kvantummechanika törvényei szerint (valóban, és nem csak elméletben) működő számítógépet fejlesztettek ki sikeresen. A processzor hidrogén- és (meglepő módon) klóratomokból állt. Eredményesen demonstrálták rajta a legegyszerűbb lehetséges algoritmust. Apró lépés, egy rendkívül hosszú folyamat fontos állomása - a média (ez esetben az International Herald Tribune) viszont rögvest "a kvantum-számítógépek kvantumugrásáról" tudósított.

A kvantum-számítógép elméletének története Rolf Landauer az IBM fizikusa már a hetvenes években úgy vélte, hogy a számítógépes tudományok inkább tartoznak a fizikához, mint a matematikához. 1978: az Oxfordban kutató David Deutsch olyan számítógépmodellt vázolt fel, melyet ma kvantumkomputernek hívnánk. Később kvantumalapú mesterséges intelligencia létrehozásáról írt. 1985: az International Journal of Theoretical Physicsben megjelent Deutsch 1978-as írása. Ugyanebben az évben dolgozta ki a kvantumpárhuzamosság elméletét. Charles Bennett (IBM), illetve Arthur Ekert (Oxford Egyetem) a nyolcvanas évektől munkálkodnak a kvantum-számítógép és az információelmélet szintézisén. 1994: Peter Sohr, az AT&T New Jersey Bell laboratóriumának kutatója megoldotta az extrahosszú számok csak kvantumszámítógéppel lehetséges (gyors) oszthatóságának (factoring) problémáját.

"Napjaink több millió digitális kapcsoló tömbjeiből összeállított komputereivel ellentétben, a kvantum-számítógépek molekuláris méretű, qubit néven ismert egységekből jönnek létre" - írja John Markoff. Qubitekből - azaz zérókat, egyeket és (potenciálisan) számos más állapotot szimultán reprezentáló kvantum-bitekből. A digitális számítógépek bináris logikán alapuló kapcsolók által dolgozzák fel a bitekbe kódolt, alacsony feszültség esetén zéró, magas feszültség esetén egy értékű információkat. Az összes input és output vagy az egyik, vagy a másik állapotban van; nincs több állapot, nincs egyidejűség.

Mindez azt jelenti, hogy például száz qubittel egyetlen lépésben végrehajtható egy a hagyományos eljárással kettő a századikon lépést/ismétlést igénylő művelet. És azt is, hogy, míg a kétbites regiszter a 0 és 3 közötti számokat kettes számrendszerben, azaz 00, 01, 10, illetve 11-ként, addig a kétqubites kvantumregiszter az adott számokat egyrészt hagyományos módon, másrészt - a qubiteket szuperpozícióba helyezve - szimultán is ábrázolja. Ha kvantumregiszterünk nyolc qubites, a szuperpozíció egyszerre 256 (kettő a nyolcadikon) számot reprezentálhat. (Hagyományos nyolcbites regiszter a 0 és 256 közötti bármelyik számot, viszont egyszerre csak egyet.) Potenciálisan végtelen a szuperpozíciós állapotok száma.

Ha két qubit például zéró-egy szuperpozícióban, és korrelációban áll egymással, összekeveredésről (entanglement) beszélünk. E jelenség teszi lehetővé, hogy különböző kvantumregisztereket összekapcsoljunk: ha üzenet jelenik meg az egyiken, a másikra nézve tudjuk meg, melyik szám generálta az adott üzenetet. (A válaszoknak csak akkor van értelmük, ha ismerjük a kérdéseket is, amúgy_)

Egy kvantumfolyamat végső kimenete (általában) a processzus összes lehetséges "történetétől" - és nem csak egytől - függ. Az interferencia néven ismert jelenség lényege, hogy a különböző "történetek" (valóságok) egymásba mosódnak, kollaborálnak egymással. És legfőbb garancia arra, hogy a kvantumkomputer minőségileg is összehasonlíthatatlanul többet nyújtson, mint egy hagyományos. Filozófiai aspektusból: az általunk érzékelt világ vékony szeletkéje csupán egy sokrétűbb, a miénkhez hasonló világokból (is) álló entitásnak, a multiverzumnak, ahol a világok közötti interakció a kvantuminterferencián alapul. Márpedig, ha meg akarjuk érteni a kvantumszámítógép működését, akkor a kvantummechanika egyenletein kívül e tényt is tudatosítanunk kell.

A parallel univerzumok (és a kvantumszámítógép) elvének úttörője, David Deutsch szerint "a multiverzumban léteznek olyan Földek, melyekbe hatvanmillió éve nem csapódott aszteroida, és ahol a dinoszauruszok értelmes lényekké fejlődtek." A legtöbb fizikus nem ért egyet Deutsch párhuzamos világok elméletével. Az általánosan elfogadott nézet az, hogy a kvantum-állapotok egy óriási, absztrakt, több-dimenziós teret, a (jeles német matematikusról elnevezett) Hilbert-teret foglalják el.

2010 körül a hagyományos technológiák elérik a végső fizikai határokat, az on és off műveleteket egyetlen elektron hajtja majd végre (single-electron tranzisztor, SET). Minél jobban zsugorodik az áramkör, annál kisebb távolságra kell eljutnia az elektronnak, kevesebb a zavaró körülmény, egyre inkább hatnak az elektron hullámszerű tulajdonságai. E tulajdonságokat használja majd ki a nanoméretű kvantum interferencia-tranzisztor (QUIT), amit jelenleg azért se lehet legyártani, mert folyékony hélium hőmérsékletre kellene lehűteni. Az atomi és a szubatomikus szinten újabb problémák merülnek fel: hogyan lássuk el kellő mennyiségű energiával az összes kapcsolót úgy, hogy közben ne égessük le az áramkört? Mai technológiákkal megoldhatatlan feladatok.

Miként áll össze a kvantum-számítógép? Seth Lloyd 1993-ban felvázolt egy általános, elméletileg megvalósítható, sejtautomataszerű modellt. Azóta számos elképzelés (atommagok, lézerrel módosított ionok qubitként, stb.) látott napvilágot, a kivitelezésre viszont még várnunk kell. Talán azért is, mert az eredmény "a végső komputer inkább természeti erő, mintsem gép" (Deutsch). Nemcsak az információt feldolgozó-manipuláló, hanem a parallel valóságok "együttműködését" biztosító szerkezet. A kvantumugrás.