Kvantumszámítógép

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Jump to navigation Jump to search


A kvantumszámítógép olyan számítóeszköz, amelyik úgy végez számításokat, hogy kvantummechanikai jelenségeket használ, mint a kvantum-szuperpozíció és a kvantum-összefonódás.

Egy kvantumszámítógép képes lehet olyan számítások hatékony végzésére, amik a hagyományos, digitális számítógépekkel gyakorlatilag megoldhatatlanok. Kutatását és későbbi megvalósítását elsősorban kormányszervek támogatják. A kvantumszámítógép gyakorlati megvalósítása a kezdeti lépéseknél tart, egyelőre kísérleti fázisban van.

A kvantumszámítógép a számításokat egymással párhuzamosan hajtja végre, ezért programozásához speciális programozási módszer szükséges.

A kvantummechanikai hatások miatt a rendszert közel abszolút nulla fokra kell folyamatosan hűteni. Vezetékezése koaxiális kábelekkel történik, amik szupravezető tulajdonságúak (ezek szintén igen alacsony hőmérsékleten működnek). A bemenetet mikrohullámú impulzusok jelentik, amik befolyásolják a részecskék állapotait. A kimenő jeleket magas szintű kvantummechanikai ismeretekkel rendelkező operátorok értelmezik. 2018-ban az IBM és a Rigetti nevű cég fejlesztői azon dolgoznak, hogy az értelmezés könnyebbé váljon.[1]

Hagyományos számítógép[szerkesztés]

A hagyományos számítógépben az információt bináris (=kétállapotú) bitekben tárolják.

A hagyományos számítógép hardvere erősnek mondható, ezért rengeteg számítást tud elvégezni másodpercek alatt. Azonban gyengeségei közé tartoznak az alábbi területek: képfelismerés, természetes nyelvek, gépi tanulás.

A kvantumszámítás története[szerkesztés]

  • 1980: Paul Benioff fizikus azt javasolja, hogy a kvantummechanikát számításokra lehetne használni.
  • 1981: Richard Feynman Nobel-díjas fizikus megalkotja a kvantumszámítógép kifejezést.
  • 1985: David Deutsch fizikus (Oxford) leírja, hogyan működne egy kvantumszámítógép.
  • 1994: Peter Shor matematikus (Bell Labs) olyan algoritmust ír, ami fel tudja törni a napjainkban széles körben használt titkosítási eljárásokat.
  • 2007: A D-wave nevű kanadai startup cég bejelenti, hogy kvantumszámítással működő integrált áramköre képes megoldani Sudoku feladatokat.
  • 2013: A Google közös laboratóriumot működtet a NASA-val, hogy teszteljék a D-wave hardverét.
  • 2017: A Rigetti nevű startup cég gyártóüzemet nyit kvantumszámítógép hardverének gyártására.

A kvantumszámítás alapelvei[szerkesztés]

Egy kvantumszámítógéphez a kvantumbitek egy lehetséges megvalósítása indulhat például két spinállapotú részecske használatával. Valójában azonban bármely A megfigyelhető mennyiség megfelelő jelölt lehet kvantumbitek megvalósítására, amelyik az idő múlásával megmarad, továbbá A-nak van legalább két, diszkrét és jól megkülönböztethető sajátértéke.

A kvantumbitek kezelése[szerkesztés]

A kvantumbiteket mikroszkopikus részecskék testesítik meg. Ezek kezeléséhez vezérlőeszközök szükségesek, amik például az alábbiak lehetnek:

  • Ioncsapda: optikai vagy mágneses teret alkalmaz (vagy ezek kombinációját), amivel ionokat tud irányítani
  • Optikai csapda: fényhullámokat alkalmaz
  • Félvezető anyag, ami elektronokat tartalmaz és befolyásol
  • Szupravezető áramkör: az elektronok szinte elektromos ellenállás nélkül haladnak benne alacsony hőmérsékleten
  • Fémként viselkedő szén nanogömbök[2]
  • Speciális tranzisztorok[3]
  • Ritkaföldfém-ionokkal szennyezett szervetlen kristályok[4][5]

Bitek és kvantumbitek[szerkesztés]

Tekintsünk egy klasszikus számítógépet, amelyik egy 3 bites regisztert kezel. A regiszter bitjei minden időpillanatban meghatározott állapotban vannak, mint például 101.

Egy kvantumszámítógépben a kvantumbiteket a klasszikusan megengedett állapotok szuperpozíciójával adhatjuk meg. A regisztert egy hullámfüggvény írja le:

A kvantumbitek kontrollált részecskékből és vezérlőeszközből állnak (például a részecskéket csapdában tartó eszköz, amelyik azokat egyik állapotból a másikba kapcsolja).[6]

ahol az a, b, c,…, h együtthatók komplex számok, amelyeknek amplitúdónégyzete annak valószínűségét adja meg, hogy a méréssel a kvantumbitet az egyes állapotokba tartozónak mérjük. Például, annak valószínűsége, hogy a regisztert a 010 állapotban találjuk. Mivel ezek komplex számok, a számok hullámfázisai egymással konstruktív vagy destruktív módon interferálnak; ez a kvantumalgoritmusok fontos tulajdonsága.[7]

Egy kvantumregiszter leírásához exponenciálisan növekvő számú komplex szám szükséges (a fenti 3-kvantumbites regiszter leírásához komplex szám szükséges). A valamely kvantumállapot becslésére szükséges klasszikus bitek száma a kvantumbitek számával exponenciálisan nő. Egy 300 kvantumbites kvantumregiszterhez 1090 nagyságrendű klasszikus regiszter szükséges, ami több, mint ahány atom van a megfigyelhető világegyetemben[8]

Kezdőértékadás, végrehajtás és kilépés[szerkesztés]

Példánkban a kvantumbit regiszterek tartalmát 8 dimenziós komplex vektornak tekinthetjük. Egy kvantum számítógép algoritmusnak ezt a vektort meghatározott módon el kell látnia kezdőértékkel. Ezt a vektort az algoritmus minden egyes lépésében úgy kell módosítani, hogy megszorozzuk egy unitér mátrixszal. A mátrixot az eszköz fizikai felépítése határozza meg. A mátrix unitér volta biztosítja, hogy a mátrix invertálható, azaz minden egyes lépés visszafordítható.

Az algoritmus befejeződése után a regiszterben tárolt 8 dimenziós komplex vektort valamiféle kvantumos méréssel ki kell olvasnunk a kvantumbit regiszterből. A kvantummechanika törvényei szerint azonban ennek a mérésnek az eredménye egy 3 bites véletlen string lesz (és ráadásul a tárolt állapot is megsemmisül). Ezt a véletlen bitstringet használhatjuk egy függvényérték kiszámítására, mivel (az alapelvből következően) a mért kimenő bitstring valószínűségi eloszlásának nagyobb értékei a függvény helyes értéke körül csúcsosodnak. A kvantumszámítógép ismételt futtatásával és a kimenet ismételt megmérésével meghatározhatjuk a nagy valószínűséggel helyes eredményt, olyan módon, hogy a lekérdezett kimeneti eredmények közül a gyakoribbat fogadjuk el. (Azaz, a klasszikus, 'nulla' és 'egy' állapotokon alapuló elektronikus számítógépektől eltérően, a kvantumos számítások kvantumbiteken alapulnak, amelyek a 'nulla' és 'egy' mellett valószínűségi alapú kvantum szuperpozíciós állapotot is jelentenek.) Röviden, a kvantumos számítások valószínűségi jellegűek.

A különböző algoritmusokban használt műveleteket illetően a részletekért lásd a következő szócikkeket:

A kvantumos számítógépek teljesítménye[szerkesztés]

Kvantumszámítógéppel polinomiális időben megoldható problémaosztály (angol rövidítése BQP) feltételezhető besorolása a bonyolultságelméleti problémaosztályok közé

Az egész számok faktorizációja olyan feladat, amelyről azt hisszük, hogy a hagyományos számítógépekkel megoldhatatlan, legalábbis olyan nagy egész számok esetén, amelyek csak néhány prímszám szorzatából állnak (például két 300-jegyű prímszám szorzata).[9] Összehasonlításul, egy kvantumos számítógép a törzstényezőkre bontás problémáját a Shor-algoritmus használatával sokkal hatékonyabban tudná megoldani, mint egy klasszikus számítógép. Ez a képesség lehetővé tenné, hogy egy kvantumos számítógép "feltörje" a ma használatos kriptográfiai rendszerek sokaságát, abban az értelemben, hogy (az egész szám bitjeinek száma szerint) polinomiális idő alatt megoldaná a feladatot. Nevezetesen, a legnépszerűbb nyilvános kulcsú kódok, beleértve az RSAt, azon alapulnak, hogy nehéz az egészeket faktorizálni. Ezeket használjuk biztonságos weboldalak, titkosított e-mailek és számos más adattípus védelmére; feltörésük szörnyű következményekkel járna az elektronikus magánszféra és titkosítás számára.

Az egyetlen lehetőség az RSA-szerű algoritmusok növelésére az lenne, hogy megnöveljük a kulcs méretét és reménykedünk abban, hogy az ellenfélnek nincs elég erőforrása arra, hogy kellően teljesítőképes kvantumos számítógépet építsen és használjon.

A problémából kivezető út valamiféle kvantumos kriptográfia használata lehet. Vannak olyan digitális aláírás (digital signature) sémák, amelyekről azt hisszük, hogy védettek a kvantumos számítógépek ellen; lásd például a Lamport aláírást.

A kvantumos számítógépek előnyét 2008-ban csak a következő problémákra találták ilyen drámainak: faktorizáció és diszkrét logaritmus. Nincs azonban bizonyíték arra sem, hogy ez az előny valódi: még felfedezhetnek egy hasonlóképpen gyors klasszikus algoritmust. Van még egy probléma, ahol a kvantumos számítógépeknek kisebb, de azért jelentős (kvadratikus) előnye van. Ez a kvantumos adatbázis keresés, és a Grover algoritmussal oldható meg. Ebben az esetben be is bizonyítható az előny. Ez minden kétséget kizáróan bizonyítja, hogy a(z ideális) kvantumos számítógépek legalább egy probléma esetén jobbak a hagyományos számítógépeknél.

Tekintsünk egy olyan problémát, amelyik rendelkezik az alábbi négy tulajdonsággal:

  1. A megoldás egyetlen módja, hogy ismételten megpróbáljuk kitalálni a válaszokat és megvizsgáljuk azokat,
  2. Összesen n megvizsgálandó válasz van,
  3. Minden egyes lehetséges válasz megvizsgálása ugyanannyi időt vesz igénybe,
  4. Fogalmunk sincs róla, melyik lehet jobb válasz: a lehetőségeket véletlenszerűen generálni épp olyan jó, mint egy speciális sorrendet használni.

Ennek egy példája egy jelszó törő, ami a jelszót egy kódolt fájl alapján próbálja kitalálni (feltéve, hogy a jelszónak van maximális hossza).

A mind a négy tulajdonsággal rendelkező problémák esetén egy kvantumos számítógép számára szükséges megoldási idő n négyzetgyökével lesz arányos (egy klasszikus számítógépnek (n + 1)/2 próbálkozás szükséges a válasz megtalálásához). Ez nagyon nagy gyorsulás is lehet, ami bizonyos problémák megoldásának idejét évekről másodpercekre csökkentheti. Ezt már arra is használhatnánk, hogy eséllyel próbáljuk meg a szimmetrikus kódolású eljárások (mint a tripla DES és AES titkos kulcsát kitalálni. Függetlenül attól, hogy ki tudjuk-e mutatni, hogy ezen problémák megoldására előnyösebb kvantumos számítógépet használni, ez mindenképpen kitűnő segédeszköz kvantummechanikai kölcsönhatások tanulmányozására, ami önmagában is hatalmas érték a tudományos közösség számára.

Problémák és gyakorlati nehézségek[szerkesztés]

Egy kvantumos számítógép építésekor számos gyakorlati nehézség fordul elő, így eddig kvantumos számítógéppel csak triviális problémákat oldottak meg. David DiVincenzo (IBM) a következő követelményeket fogalmazta meg a gyakorlatban is használható kvantumos számítógéppel szemben: [10]

  • a kvantumbitek növelése érdekében fizikailag skálázható
  • a kvantumbitek tetszőleges kezdőértékre beállíthatók
  • a kvantumkapuk gyorsabbak, mint a dekoherencia ideje
  • van univerzális kapu készlete
  • a kvantumbitek könnyen kiolvashatók

Mérnöki szemmel nézve egy olyan rendszert kell létrehozni, amelyik el van szigetelve mindentől, kivéve a mérő és vezérlő mechanizmusokat. Ezen túlmenően, képesnek kell lennünk arra, hogy kikapcsoljuk a kvantumbitek és a mérés közötti csatolást, hogy ne oltsuk ki a kvantumbiteket, miközben műveleteket végzünk velük.

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. The reality of quantum computing could be just three years away - 2018 október
  2. (2016. július 18.) „Room Temperature manipulation of long lifetime spins in metallic-like carbon nanospheres”. Nature Communications, 12232. o. DOI:10.1038/ncomms12232.  
  3. (2015. október 15.) „A two-qubit logic gate in silicon”. Nature (526). DOI:10.1038/nature15263.  
  4. (2002. január 1.) „Quantum computer hardware based on rare-earth-ion-doped inorganic crystals”. Opt. Commun. 201 (1–3), 71–77. o. DOI:10.1016/S0030-4018(01)01666-2.  
  5. (2004. szeptember 23.) „Demonstration of conditional quantum phase shift between ions in a solid”. Phys. Rev. Lett. 93 (13), 130503. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.93.130503. PMID 15524694.  
  6. Waldner, Jean-Baptiste. Nanocomputers and Swarm Intelligence. ISTE, p157. o. (2007. október 10.). ISBN 2746215160 
  7. DiVincenzo, David (1995. October). „Quantum Computation”. Science 270 (5234), 255-261. o. (Hozzáférés ideje: 2007. április 25.)  
  8. Megjegyezzük, hogy az együtthatók nem mind függetlenek, mivel a valószínűségek összegének 1-nek kell lennie.
  9. http://modular.fas.harvard.edu/edu/Fall2001/124/misc/arjen_lenstra_factoring.pdf
  10. David P. DiVincenzo, IBM: The Physical Implementation of Quantum Computation, 2000. április 13. (Hozzáférés: 2006. november 17.)

Források[szerkesztés]

Külső hivatkozások[szerkesztés]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Kvantumszámítógép témájú médiaállományokat.
  • DiVincenzo, David P. (2000). "A kvantumos számítások fizikai magvalósítása". Experimental Proposals for Quantum Computation.
  • DiVincenzo, David P. (1995). „Kvantumos számítások”. Science 270 (5234), 255–261. o.   Az 1. táblázat felsorolja a különféle rendszerek kapcsolási és fázisfosztási időit.
  • Feynman, Richard (1982). „Fizika szimulálása számítógépekkel”. International Journal of Theoretical Physics 21, 467. o.  
  • Jaeger, Gregg. Kvantumos információ: áttekintés. Berlin: Springer (2006). ISBN 0-387-35725-4 "
  • Nielsen, Michael and Isaac Chuang. Kvantumos számítások és kvantumos információ. Cambridge: Cambridge University Press (2000). ISBN 0-521-63503-9 
  • Singer, Stephanie Frank. Linearitás, szimmetria és előrejelzés a hidrogénatomban. New York: Springer (2005). ISBN 0-387-24637-1 
  • Benenti, Giuliano. A kvantumos számítások és információ elvei. 1. kötet. New Jersey: World Scientific (2004). ISBN 981-238-830-3 
  • http://jquantum.sourceforge.net/jQuantumApplet.html Kvantumos számítógép szimulátor (Java applet).
  • reality of quantum computing could be just three years away, 2018-09-07