„A kvantumszámítógép (qubites) leszűkített szóhasználatban a szuper­po­nált és összefonódott állapotokkal operáló eszköz, melyben az információ alap­egysége nem a bit, hanem a qubit” – definiálta elsőként az alapfogalmat Nemcsics Ákos. Bármilyen meglepő, a kvantumszámítógép története több évtizedes, először 1980-ban Paul Benioff amerikai fizikus vetette fel, hogy a kvantummechanikát számításokra lehetne használni, rá egy évre Richard Feynman Nobel-díjas fizikus pedig meg is alkotta a kvantumszámítógép kifejezést. Mindössze négy évet kellett várni arra, hogy az Oxfordi Egyetem fizikusa, David Deutsch leírja, hogyan működne az akkor még csak elméletben létező fejlesztés. Az elmélet lényege: míg egy hagyományos számítógép esetében az információt bináris, más néven kétállapotú bitekben – a klasszikus bit bármely időben 0 vagy 1 állapotú – tárolják, a kvantumrendszer úgynevezett szuperponált állapotában a kvantumbit (qubit) egyazon időben tartalmaz olyan komponenseket, amelyek egyidejűleg több helyen, különféle állapotokban lehetnek. Éppen ennek a szuperponáltságnak köszönhetően a gép a különböző bemenő adatokat párhuzamosan dolgozza fel, és a kimenő adatokat szuperponált alakban hozza létre. A magyar származású Joseph Reger, a Fujitsu regionális technikai igazgatója, érzékeltetve a kvantumszámítógépben rejlő potenciált, a cég egyik müncheni rendezvényén úgy fogalmazott: egy 80 kvantumbites szimulációhoz a látható univerzummal azonos méretű hagyományos számítógépre lenne szükség, és egyetlen kvantumművelet elvégzése az univerzum életkorával azonos ideig tartana. A kvantumszámítógépek a konkrét számolásokat kvantumalgoritmusok segítségével végzik. Ezek a kvantumalgoritmusok egy és két kvantumbites műveletekből építhetők fel. Ezeket az elemi műveleteket és a műveleteket megvalósító fizikai eszközöket is kvantum logikai kapuknak nevezzük, és maga a kvantumszámítógép éppen ezeknek a kvantum logikai kapuknak az összessége. A kapuk meghatározott qubiteken hajtanak végre változtatásokat, ami aztán az egész összefonódott állapot megváltozását eredményezi.

Egyszerűen más

„Amennyiben sikerül a kvantumszámítógép megvalósítása, akkor az a pár­huzamosság révén a klasszikus számítógépek számára kezelhetetlen problémákat oldhat meg – foglalta össze a fejlesztés jelentőségét Nemcsics. – Ez a modell nem a hagyományos számítógépek következő evolúciós stádiuma, hanem egészen egyszerűen egy másik utat nyit meg előttünk.” Mint fogalmazott, a kvantumszámítógép éppen ezért nem alternatívája a jelenleg is használt gépeknek, programozásuk teljesen más elven működik, és jelenlegi tudásunk szerint a qubites gépekkel nem tudjuk a bitalapú társaikat kiváltani, ráadásul alapvetően speciális feladatok elvégzésére lesznek alkalmasak. A professzor példaként a titkosításokat és kódolásokat említette, ugyanis egy qubites géppel készült titkosítás a hagyományos bitalapú géppel feltörhetetlen. De kémiai reakciók szimulálására vagy molekulaszerkezetek számolására is alkalmasak lehetnek ezek a szerkezetek. A kvantumszámítógépek nem csak a nagy számok törzstényezőinek megkeresésében lennének hasznosak, egyfajta természetes laboratóriumai lehetnének a kvantummechanikai összefüggések vizsgálatának. Ezekkel az eszközökkel, a megfelelő programok futtatása révén, a kutatók más kvantumrendszereket tanulmányozhatnának.

A kvantumszámítógép emellett felgyorsítja az optimalizációt, egyszerre vizsgál nagyon sok összetevős kérdéseket, bizonyos problémák esetén pedig annyival gyorsabb lesz egy hagyományos számítógépnél, hogy a mai szuperszámítógépeknek is évmilliókig tartó számításokat tud majd gyorsan elvégezni. A hangsúly a „majd” szón van, ugyanis az elméleti sikereket a gyakorlatba még nem tudták átültetni. A korábban említett párhuzamosság sérül, miután a mérések idején a qubitek szuperpozíciója összeomlik, és egyetlen klasszikus állapotot vesznek fel. Problémákat vet fel, hogy a rendszer annyira érzékeny, hogy az összeomlást a legapróbb külső hatás is kiválthatja. Az 50 qubites géppel rendelkező IBM is mindössze 90 mikroszekundum, azaz milliomod másodperc erejéig volt képes a rendszert stabilizálni. A kvantumtechnológiában élenjáró Google, az Intel vagy a San Franciscó-i Rigetti nevű startup sem tudta ezt az időkorlátot lejjebb szorítani.

Kvantumpontos irány

Míg a hagyományos számítógépek úgynevezett mikroelektronikai eszközök, azaz az egyes építőelemek főbb méretei mikrométer, illetve mikrométer alatti nagyságrendűek. A deklaráltan felhasadt kvantumállapotokat használó eszközök karakterisztikus mérete viszont már nanométer. „Tehát elviekben nagyságrendekkel kisebb méretű lehet a kvantumszámítógép »lelke«” – emelt ki egy fontos tényezőt Nemcsics Ákos, aki a megvalósítási alternatívákkal kapcsolatosan elsőként arra hívta fel a figyelmünket, hogy jelenleg több irány is versenyzik egymással. „Korábban a nagy számítógépeknél álltunk sorba lyukkártyáinkkal, ma már mindenkinek van saját laptopja. A kvantumszámítógépekkel most hasonló a helyzet. Attól, hogy populáris legyen, még eléggé távol vagyunk” – jegyezte meg. A jelenlegi számítógép áramköreinek megvalósítása alapvetően rajzolatkészítéssel, litográfiával történik. Nanoméretekben azonban ez az út nem járható. „A struktúrák kialakítása, például az atomok egyenkénti mozgatásával ugyan megold­ható, de műszakilag ez nem jó megoldás” – vélekedett a professzor. Véleménye szerint az egyik ígéretes lehetőség a kvantumpontos (kvantumpontokból álló) megvalósítás lehet, ez a fajta realizáció a bit- és qubitalapú gépek közötti információs kapcsolat lehetőségét is magában hordja, melyet tágabb értelemben vett kvantumszámítógépként lehetne aposztrofálni. Magyarázatképpen hozzátette: „Az elektronikus áramkörök, így a számítógépek is kvantummechanikai effektusokat kihasználva működnek.” A jelenlegi számítógépek processzorai digitális kapukból épülnek fel, azok alapegysége a tranzisztor, melynek működése szintén kvantummechanikai alapokon nyugszik. „A jelenlegi MOS-alapú technológia miniatürizálását egy megfigyelésen alapuló előrejelzés, a Moore-törvény írja le, mára pedig elérkeztünk abba a stádiumba, hogy a további méretcsökkentésnek a biztonságos működést veszélyez­tető, illetve ellehetetlenítő a hatása” – fogalmazott Nemcsics Ákos.

A technológia fejlődésével egyre nagyobb a készülékek integrációja, a chipen lévő tranzisztorok száma növekszik, egy tranzisztor mérete pedig egyre kisebb és kisebb lesz. Így közeledik a fizikai méretkorláthoz, feltehetően a Moore-törvény korszakának vége. Sürgető az igény új számítástechnikai elvek és új eszközarchitektúrák kifejlesztésére, hogy a növekvő számítástechnikai igényeket ki lehessen elégíteni. Mint folytatta, a miniatürizálás egyik következménye a disszipáció, azaz a hőelvezetés problematikája, ami egyebek között nem kívánt anyagtranszportot – például diffúziót – indukál­hat. „Éppen ezért új utakat kell keresni – szögezte le az Óbudai Egyetem oktatója, hozzátéve: – a méretcsökkentéssel, a kvantum­-behatárolás által a folytonos állapotok helyett megjelennek fel­hasadt, diszkrét energiaállapotok, melyek új lehetőségeket kínálnak. A legújabb tudományos eredmények által megnyílt a lehetőség arra, hogy logikai kapuk megvalósíthatóak legyenek kvantumpontokkal is. A csepp-epitaxia segítségével akár önszerveződő módon állíthatók elő ezek a struktúrák. Mint a fentiekből látszik: egyszerre két probléma jelentkezik, egyrészt a jelenlegi bitalapú gépek minia­tü­rizálása, másrészt a qbitalapú gépek rentábilis megvalósítása. Mindkettőre megoldást jelenthet a kvantumpontos struktúra.”

Nemcsics Ákos kitért arra is, hogy már Magyarország is komoly eredményeket tud felmutatni ezen a területen. Bíró László Péter és Tapasztó Levente csoportja az MTA Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fi­zikai és Anyagtudományi Intézetében gra­fén­kutatással foglalkozik, mely lehetőséget teremt (a szilícium helyett) az úgynevezett szénalapú elektronikának (a méretcsökkentés alapját teremti meg). A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen Imre Sándor professzor és csapata a kvantum­informatika, a kvantumszámítás és a qubites szoftverek területén végez kutatásokat, míg Csurgay Árpád egyetemi tanár és Csaba György docens a Pázmány Péter Katolikus Egyetem Informatikai Karán a nanoáramkör modellezése, a mágneses logikai áram­körök és a mágneses sejtautomaták tárgykörében értek el sikere­ket. Az Óbudai Egyetem oktatója ugyanakkor megjegyezte, a fo­lyamatos kutatások ellenére a szakemberek egyelőre nem túl optimisták a közeljövőben való megvalósítást illetően. A technológia első működő alkalmazásai olyan speciális funkciók segéd­elemeiként jelentek meg, mint a bonyolult matematikai problé­mák megoldása, a kvantumrendszerek modellezése vagy a strukturálatlan rendszerekben végzett keresés.•