A kvantumszámításnak megvan az a képessége arra, hogy megváltoztassa jövőnket. Megvan benne a lehetőség, hogy teljesen átalakítsa a gyógyszeripart, feltörje a magas szintű titkosításokat, és felgyorsítja a mesterséges intelligencia fejlődését. Jelenleg az IBM, a Google és a Microsoft között folyik verseny a legmegbízhatóbb kvantumszámítógép felépítését illetően, amely jelentősen felülmúlja a modern szuperszámítógépek teljesítményét. Ez most már egy milliárd dolláros verseny, minden vállalat azt állította, hogy felülmúlja a másikat, Kína is milliárdokat fektetett kvantumszámításokba. De mi az a kvantumszámítás? A jövőben benne lesz ez a technológia az otthoni számítógépekben is? Hogyan működik valójában?
Mi az a kvantumszámítás?
A kvantumszámítógép olyan, mint bármely más számítógép, amely komplex számításokat végez; azonban kvantummechanika elveket használ ezen számítások nagy sebességgel történő elvégzéséhez. Egy hagyományos számítógép biteket használ, amelyek 1-esekből és 0-kból álló bináris láncokban tárolják az információkat – ezek olyanok, mint a kis kapcsolók, amelyek bekapcsolnak (1) és kikapcsolnak (0). A hétköznapi számítógépünkön több millió bitből álló alkalmazásokat, weboldalakat, videókat és képeket használunk, és a számítógépek ezeket látható és hallható formára fordítják le.
A bitek használatának elmélete jól működik a legtöbb dolog esetében, és a számítógépek könnyen ki tudják számítani ezeket 1-esekként és 0-kként. Tudjuk azonban, hogy vannak olyan bizonytalansági esetek is, amelyek rendkívül összetett számításokat igényelnek, csakúgy, mint a természet és az univerzum. A számítógépeink nem tudják kezelni ezt a bizonytalanságot, még a szuper számítógépek is nehezen tudják elvégezni ezeket a számításokat, és több évbe telik, mire eredményre jutnak.
1927-ben Werner Heisenberg, egy német fizikus bevezette a bizonytalanság elvét, amely kimondja, hogy nem lehet egyszerre mindent tudni egy kvantumrészecskéről. Minél többet tudsz a helyzetéről, annál kevesebbet tudsz a lendületéről. Ez az elmélet kvantummechanika néven vált ismertté.
A kvantumszámítógép a kvantummechanika elveit használja azáltal, hogy veszi az 1-eseket és 0-kat, majd bizonytalanságot ad hozzájuk, így egyszerre lehet az érték 1 vagy 0. Ha például feldobunk egy érmét, és fej lesz, akkor az legyen az 1, ha pedig újból feldobjuk az érmét, és írás lesz, az legyen a 0. Tehát, minden alkalommal, amikor feldobjuk az érmét lesz egy bizonyos eredményünk. Mi történik, ha folyamatosan pörög az érme? Akkor az 1 vagy 0? Mindkettő. Ez a bizonytalanság az úgynevezett szuperpozíció kvantumszámításban, és ugyanaz, mint az érmedobás. Minél több szuperpozíció van egy kvantumszámítógépen, annál több kombinációval és több memóriával rendelkezhet.
Hogyan működnek a Quantum számítógépek?
A kvantumszámítógépek a normál számítógépek által használt bitekhez helyett úgynevezett qubiteket használnak. A qubitek fizikai eszközök, amelyek szupervezető anyagokból készülnek. A qubiteket olyan mikrohullámú impulzusok vezérlik, amelyekhez adott frekvenciát és időtartamot határoztak meg, hogy a qubitet szuperpozícióba, illetve az egyik vagy másik állapotba állítsák. Mivel minden qubit egyszerre két állapotot jelöl, az állapotok teljes száma minden egyes hozzáadott qubittel megduplázódik. Egy qubit két szám, két qubit négy szám, három qubit nyolc szám és így tovább. Kicsiként kezdi, de nagyon gyorsan hatalmas lesz.
A qubitek kicsik, egészen a molekuláris szintig. Ezért a kvantummechanikai tulajdonságok, különösen a mágneses mező tulajdonságai miatt a qubitek főleg elektronokból állnak. Ezért szolgálnak a kvantumszámítógépek alapvető építőegységéül. Ahhoz, hogy egy elektront qubitként használhassanak, megbízható módot kell biztosítani a helyzetének meghatározására és irányának váltására. A qubitek egy kvantumpont néven ismert koncepciót használnak, amely egy jellemzően tízezred milliméter átmérőjű gömb alakú térfogat. A két, kivételesen alacsony hőmérsékletre hűtött félvezető anyagból (például szilikonból és germániumból) készült kvantumpont belsejében egy szabad elektron található. Ebben a formátumban az elektron pörgése elektronikusan váltható.
Szuperpozíció – ahogy már elmagyaráztuk, szuperpozíciónak nevezzük egy qubit állapotának bizonytalanságát, amikor lehet be és kikapcsolva, vagy valahol a kettő közötti spektrumban. Remekül bemutatható a működése, ha megkérünk egy normál számítógépet, hogy lépjen be egy labirintusba, és találja meg a kijáratot. A számítógép minden egyes útvonalat megpróbál, és addig próbálkozik és hibázik, amíg meg nem találja a kiutat a labirintusból. Ez a folyamat hosszú időt és több memóriát vehet igénybe az egyes sikertelen útvonalak tárolása miatt. Ha azonban egy kvantumszámítógépet kérünk meg arra, hogy találja meg a kiutat a labirintusból, akkor az egyszerre minden úton végigmegy a labirintusban. Lehet ilyen fokú bizonytalansága. A kvantumszámítás másik két elemével, az összegabalyodással és az interferenciával együtt képes egy pillanat alatt megtalálni a kijáratot a labirintusból.
Összegabalyodás – a qubiteknél előfordulhat valami, amit összegabalyodásnak hívnak. Visszatérve az érmedobásos analógiához, ha egyszerre két érmét dobunk fel, az egy érme feldobásának eredménye nem lesz hatással a másikra, teljesen függetlenek egymástól. Az összegabalyodásban két részecske még akkor is össze van kapcsolva, ha fizikailag el vannak választva egymástól. Ez az összegabalyodás azt jelenti, ha egyszerre mindkét érmét feldobjuk, az eredmény ugyanaz lesz. Úgy viselkednek, hogy az egyfajta rendszerré válik. Az összegabalyodás a rendszerben előforduló hibák számának csökkentésére szolgál, miközben nagyban nő a hatékonysága, így sokkal gyorsabban el tudja végezni a számításokat.
Interferencia – egy kvantumtulajdonság (például interferencia) segítségével a kvantumállapotokat a helyes válasz felé haladó jelek erősítésével szabályozhatja, és törölheti a helytelen válasz felé haladó jelek típusát. A működése hasonlít a zajelnyomó fejhallgatók működéséhez, amely érzékeli a környezeti hullámok hosszát, majd interferencia létrehozásával ellentétes hullámot generál a kioltásához. Mint tudjuk, konstruktív interferenciát és dekonstruktív interferenciát is használhatunk. A konstruktív interferencia felerősíti a hullámhosszt, így a jel nagyobb lesz, dekonstruktív interferencia esetén az amplitúdó gyengül. Ez ugyanígy működik a kvantumszámításban is, lehetővé téve az állapotok szabályozását.
Ezen három elem kombinációja révén működnek kvantumszámítógépek, és tudnak komplex számításokat elvégezni rendkívül nagy sebességgel.
Milyen kihívásokkal szembesülnek a kvantumszámítás terén?
A kvantumszámítás még mindig gyerekcipőben jár, de sok átfogó kutatást végeznek annak érdekében, hogy még jobban felnyissák a benne rejlő lehetőségeket. A kvantumszámításban az egyik legnagyobb mítosz, hogy több qubit hozzáadásával egyszerűen növelhető a kapacitás. Bár ez igaz, ez is az egyik legnagyobb kihívás a kvantumszámításban, mivel ez nem ilyen egyszerű. A kvantumszámítógépek rendkívül összetett gépek, nagy pontosságú mikrohullámaival és nulla alatti hőmérsékleteivel rendkívül érzékenyek az elektromos zajokra vagy a környezeti hatásokra. Ha újabb qubitet adunk hozzá, akkor valójában megsokszorozzuk a problémákat.
Egy másik kihívás, hogy néhány ember számára nehezen felfogható, hogy csak ennyi ideig tarthatók meg a kvantuminformációk. Csak ennyi számítást lehet elvégezni, mielőtt elkezdené elveszíteni az információkat.
Melyek a következő lépések?
Minek kell most történnie? Az iparág jelenlegi vezetőinek el kell kezdeniük absztrakt rétegeket építeni, hogy a programozók és a tudósok számára egyszerűbbé tegyék ennek a témának az elsajátítását és kutatását, illetve új alkalmazási területeket kell találni a kvantumszámításokhoz. Ehhez új kvantumalgoritmusokat kell kidolgozni, amelyen a kutatópartnerek jelenleg is dolgoznak. A fejlődés együtt jár a hardverek és a kvantumprocesszorok exponenciális növekedésével, és további qubiteket kell hozzáadni.
Ki használja ezt a technológiát?
A kvantumszámítás képes nagy mértékben felgyorsítani a mesterséges intelligenciát és az ipar 4.0-t. A Google már használ ilyet az önvezető autók fejlesztéséhez, valamint komplex kémiai reakciók modellezéséhez.
Íme egy átfogó lista a kvantumszámítás legnépszerűbb alkalmazásairól:
- Kiberbiztonság
- Gyógyszerfejlesztés
- Pénzügyi modellezés
- Jobb akkumulátorok
- Tisztább trágyázás
- Forgalomoptimalizálás
- Időjárás-előrejelzés és éghajlatváltozás
- Mesterséges intelligencia
- Napenergia-tárolás
- Elektronikai anyagok felfedezése
Daimler AG – 2018-ban a német Daimler AG bejelentette együttműködését két partnerrel, a Google és az IBM vállalattal. Az elektromos járművek alapvetően az akkumulátorcellák kémiáján alapulnak. A kvantumszámítások reményt adhatnak az olyan területeken, mint a cellaalapú szimuláció és az akkumulátorcellák öregedése. Az elektromos járművek továbbfejlesztett akkumulátorai elősegíthetik e járművek elterjedését.
A Daimler azt is vizsgálja, hogy a kvantumszámítások hogyan gyorsíthatják fel a mesterséges intelligenciát, hogyan alakíthatják az önvezető járművek jövőjét és gyorsíthatják fel logisztikai hálózatát. A Volkswagen által kitaposott úton járnak. 2017-ben a VW bejelentette együttműködését a Google vállalattal, amely hasonló kezdeményezésekre összpontosít. 2018-ban a D-Wave Systems vállalattal is összeállt.
Volkswagen Group– a D-Wave és a VW már számos forgalom- és utazásoptimalizálási kihívásra indított kísérleti programot, többek között a forgalom korszerűsítésére Pekingben, Barcelonában és – éppen ebben a hónapban – Lisszabonban. Az utóbbi esetében egy autóbuszflotta különböző útvonalakon utazott, amelyeket a valós idejű forgalmi viszonyokhoz igazítottak egy kvantumalgoritmussal, amelyet a VW minden próbaüzem után továbbfejlesztett. A D-Wave vezérigazgatója, Vern Brownell szerint a vállalat kísérletei „minden eddiginél közelebb visznek minket a valódi, praktikus kvantumszámítástechnika megvalósításához.”
JP Morgan Chase – nem meglepő, hogy a világ egyik legnagyobb pénzügyi vállalata is érdeklődik a kvantumszámítástechnika iránt. Végül is a pénzügyi piac is bizonytalannak számít bizonyos tekintetben. A JP Morgan a Microsoft kvantumhálózatának egyik partnere, amely kutatóegyetemeket, technológiai vállalatokat és üzleti leányvállalatokat foglal magában. A kvantumszámítás és a pénzügyi modellezés egy tökéltes páros, amelynek sok strukturális hasonlósága van. Már elvégezték a kutatásokat a Monte Carlo-modellről, amely a különböző eredmények valószínűségét méri fel és kiértékeli kockázataikat.
Melyek a leginnovatívabb dolgok, amelyek a kvantumszámítás terén történnek?
Az eddig történt dolgok közül az egyik nagy áttörést szabályozott beállításokkal érték el, ahol a kvantum-felsőbbrendűség eléréséhez olyan problémák megoldásához használják ezt a megoldást, amelyre már tudják a válaszokat. A Google nemrég azt állította, hogy már elérték a kvantum-felsőbbrendűséget. Ez egy olyan helyzet, amikor a kvantumszámítógép felülmúlja a hagyományos számítógépet. A Google azt mondja, hogy 54 qubites processzora képes volt elvégezni 200 másodperc alatt egy olyan számítást, amely normál esetben egy hagyományos számítógéppel 10 000 évig tartott volna. Ezt az állítást erősen bírálta az IBM, aki szerint a számítás csak 2,5 napot vett volna igénybe.
A kutatók a kvantumszámítógépek által használt algoritmusok létrehozásán is munkálkodnak (például Shor vagy Grover algoritmusok), de az eszközökön még mindig sokat kell dolgozni. Várható, hogy az innováció a számítási értékkel exponenciálisan nőni fog, és a hardverfejlesztések is felgyorsulnak, amelyek várhatóan 4 évente fognak növekedni a Moore-törvény szerinti kvantumekvivalens alapján. A cél az, hogy olyan méretű legyen, amely futtatni tudja a kívánt kvantumalgoritmusok. Ha ezt elérik, átkerül a hangsúly a kvantumhiba-korrekcióra.
A kvantumszámítógépeket olyan, nagy számú összetett számításokhoz tervezték, amelyek gyors választ igényelnek. Soha nem fogják felváltani az általunk minden nap használt hagyományos számítógépeket. Az általunk naponta használt alkalmazások (mint például HD videók nézése, internetböngészés és szövegfeldolgozás) nem hoznak semmilyen előnyt a kvantumszámításban. Láthatjuk, hogy milyen hatalmas lehetőségek rejlenek ebben a technológiában, és már most is nagy lendületet kap a nagyvállalatok milliós beruházásaival. A jövő izgalmas, és ez egy olyan terület, amelyre érdemes figyelni.
