Történelem

Az igény a matematikai számítások sebességének növelésére régóta jelen van az emberiség történelmében.

Először a manuális eszközök jelentek meg, mint például az Abakusz (~ Kr.e. 2400), de ez nem volt elég. Az elsőnek gondolt mechanikus analóg számítógép az Antiküthérai szerkezet (~ Kr.e. 100) volt, amely csillagászati objektumok pozíciójának számítására szolgált. A modern automaták koncepcióját Alan Turing írta le 1936-ban. Az úgynevezett "univerzális számítógép" lényege, hogy programozható, tehát több probléma megoldására is használható ugyanaz az eszköz. Neumann János volt az, aki 1946-ban lefektette a digitális számítógép elvi alapjait. Ezeket becézzük ma egyszerűen számítógépeknek.

Az első számítógépek vákuumcsöveket használtak. 1955-ben a tranzisztorok teljes mértékben átvették a vákuumcsövek szerepét, innentől kezdve a számítástechnika a leggyorsabban fejlődő iparág lett. A számítási sebesség évről-évre iszonyatos mértékben növekedni kezdett, amíg el nem értünk egy fizikai határt. Itt tartunk ma.

 

Napjaink számítógépei

Az az eszköz, amiről most ezt a cikket olvasod - már ha nem nyomtattad ki, de miért is tetted volna - egy bináris logikán alapuló számítógép.

A számításokat tranzisztorok valósítják meg, melyek egyszerűen fogalmazva nyitható és zárható kapcsolók. A nyitott tranzisztor átengedi az elektronokat, a zárt pedig nem. Tulajdonképpen az áram folyását lehet ezzel szabályozni. Innen jön a "bináris" jelző, hiszen két állapot lehetséges, folyik áram vagy nem. Ezt a két állapotot reprezentáljuk 0-val és 1-gyel.

Néhány tranzisztorból olyan modulokat lehet összerakni, amelyek képesek például számok összeadására. Néhány ezer tranzisztor elég egy régebbi processzor megvalósítására. A mai modern processzorok már több milliárd tranzisztort tartalmaznak.

Na de hogy fér el ennyi tranzisztor egy alig néhány négyzet-centiméteres chipben? Úgy, hogy nagyon kicsik. A mai tranzisztorok átmérője 14 nanométer, ez körülbelül 70 db atom, ami 500x kisebb, mint egy vörösvértest. A probléma az, hogy ilyen méreteknél a klasszikus fizika törvényeit nem használhatjuk tovább, a kvantumfizikát kell segítségül hívnunk.

 

A kvantumfizika teljesen máshogy működik, mint a klasszikus fizika. Olyan jelenségeknek lehetünk tanúi, melyek teljesen abszurdnak tűnhetnek.

Ilyen például az alagúthatás. Alagúthatás esetében részecskék képesek áthatolni olyan gátakon, melyeken a logika azt diktálja, hogy nem lenne szabad. Mintha az ásványvizes üvegben lévő víz úgy gondolná, hogy többet nem akar az üvegben lenni, így "áttranszportálja" magát azon.

Ezen jelenség miatt a hagyományos számítógépek fejlődése fizikai korlátba ütközött.

 

Kvantumszámítógép

Okos tudósok gondoltak egyet és megpróbálták a kvantumfizika jelenségeit a hasznukra fordítani. A bináris logikában bit-eket használunk, melyek 2 állapotúak lehetnek: 0 vagy 1. A kvantumszámítógépek úgynevezett qubit-eket (kvantumokat) használnak, mely állapota lehet 0, 1 vagy a kettő egyszerre. Ezt hívjuk szuperpozíciónak.

A szuperpozíciónak köszönhetően nagyságrendekkel több adat tárolására adnak lehetőségek a qubit-ek, mint a bit-ek. 4 bit-en tárolhatunk egy egész számot 0 és 15 között. 4 qubit-en egyszerre tárolhatjuk az összes számot 0 és 15 között.

 

Egy másik jelenség melyet kihasználnak a kvantumszámítógépek, az a kvantum-összefonódás. A kvantum-összefonódás egy szoros kapocs 2 kvantum között, mely lehetővé teszi, hogy a kvantumpár egyszerre reagáljon egymásra. Például ha az egyik kvantum állapotát megváltoztatjuk, a párja állapota is azonnal megváltozik, függetlenül a köztük lévő távolságtól. Akár több milliárd fényév távolság is lehet a kvantumpárok között, a változás azonnali, nincs időbeli eltérés. Az összefonódás lehetővé teszi, hogy a kvantuminformatikai algoritmusok sokkal nagyobb hatékonysággal működjenek, mint összefonódás nélkül. Másodpercek alatt lehetne velük titkosításokat feltörni, világokat lehetne szimulálni, betegségekre tudnánk gyógyszert találni.

 

Problémák

Nem véletlenül nem az otthoni kvantumszámítógépemről írom a bejegyzést. Komoly akadályokat kell még legyőzni ahhoz, hogy valóban működőképes modellt kaphassunk.

Egyik fő probléma, hogy szuperpozíció csak addig áll fent, míg a kvantum állapotát meg nem mérjük. A mérés pillanatában a szuperpozíció összeomlik, a kvantum felveszi a 0 vagy 1 állapotot. Az se segít, hogy a szuperpozíció egy rendkívül instabil állapot, eddig csak alig néhány mikroszekundumig sikerült fenntartani.

Másik fő probléma, hogy a kvantumszámítás rendkívül zajérzékeny. Ez azt jelenti, hogy nagy az olyan hiba esélye, mely befolyásolja az eredményt, pedig mindenki tudja, hogy mennyire fontos, hogy a számítógépek ne hibázzanak.

 

Összefoglalva, a kvantumszámítógépekben rengetek potenciál rejlik, egyes feladatok megoldására felfoghatatlanul gyorsabbak lehetnek, mint hagyományos társaik, ellenben sok problémát kell még áthidalni ahhoz, hogy a Youtube-os macskás videót egy ilyen gépről nézhessük.