Kvantumszámítógép

A kvantumbit vagy qubit abban különbözik a hagyományos bittől, hogy kvantum-szuperpozíció állapotban felveheti egyszerre a 0 és 1 értéket, ebből kifolyólag 2 qubitnek egyszerre 4 értéke, 8 qubitnek pedig 256 értéke is lehet ugyanabban az időben. Minél több qubit kapcsolódik össze, annál nagyobb lesz a "felbontás".

      1998-ban az IBM, az MIT, a Kaliforniai és az Oxford Egyetem kutatói egy olyan megoldást dolgoztak ki, amivel a kvantumbitek hosszabb ideig megőrzik kvantummechanikai tulajdonságaikat. Azelőtt nem sikerült megfelelően hosszú ideig stabil állapotban tartani az atomokat ahhoz, hogy legalább egy egyszerű algoritmust elvégezhessenek velük. Egy-másfél évtizeddel ezelőtt a kvantumállapotokat csupán egyetlen nanoszekundumig lehetett megőrizni, de azóta sok ötlet született arra, hogy miként lehetne hosszabbítani ezt az időt. Az IBM eljárásai egyikét a Yale Egyetem kutatóinak segítségével valósították meg, ahol egy mikroszekundumig, később 100 mikroszekundumig is képesek voltak megtartani a qubitek kvantumállapotát. Minél tovább tudják húzni ezt az időt, annál több qubitet tudnak összekapcsolni így annál bonyolultabb algoritmusokat tudnak végrehajtani. Sokféle hétköznapi példával lehet szemléltetni a szuperpozíciót, a legnépszerűbb példa a Schördinger macskája.

Mi a kvantumbit vagy qubit?

      A qubiteket egy molekulában lévő atomok magjainak spinjei jeleníti meg. Mágneses térbe helyezve ezt a molekulát, ideális esetben, a mágnesesség irányába beálló spinhez logikai 0, az ellentétes irányba beálló spinhez pedig logikai 1 rendelhető (a valóságban a mágneses tér hatására az állapotok átrendeződhetnek, átalakulhatnak vagy összefonódhatnak). 

A qubitok nem kizárólag az atommagok spinjeiből állnak. A qubit bármilyen kétállapotú kvantumrendszer lehet, amely képes a 0 és 1 értékeket felvenni. Például egy elektron spinje is szolgálhat qubitként.

Mi a spin?

   Minden elemi részecskének van spinje. A Spin, mint a részecske kvantummechanikai tulajdonsága, a részecske tulajdonságait leíró hullámfüggvény, a forgatásokkal szembeni transzformációs tulajdonságokat írja le (tömeg, elektromos töltés vagy polaritás ...). Úgy is nevezik, hogy impulzusmomentum vagy forgási impulzusnyomaték. Az elektronok fizikai állapota bináris információt is képvisselhet. Az elektronok északra mutató spinje képviselheti a logikai egyet, a délre mutató spinje pedig a logikai nullát. Az elektronokhoz hasonlóan, az atomok magjainak is van spinjük.

Hogyan vehet fel egy qubit egyszerre két állapotot?

      Mágneses térben, a különböző spin-irányú magállapotok más-más energiával rendelkeznek. Ha az energiakülönbség arányos az elektromágneses tér frekvenciájával, akkor rezonancia lép fel. Ekkor az atom állapotfüggvénye a két spin állapotfüggvény lineáris kombinációjaként írható fel. Fontos megjegyezni, hogy a Pauli elv alapján egy rendszerben nem lehet két elektron ugyanabban a kvantumállapotban, tehát legfeljebb két állapotnak mindenképp léteznie kell, nevezzük ezt 1. és 2. állapotoknak. Nyilvánvaló hogy az 1. és 2. állapotok valószínűségi összege P1+P2 = 1 (P1 nem egyenlő P2). Na most egy ilyen kétállapotú atom, a rezonáns elektromágneses térben nem tud állandósult állapotot felvenni, az 1. és 2. állapotok valószínűsége oszcillálni kezd, de továbbra is igaz a P1+P2 = 1 állítás, minden pillanatban.

      Egy kis zárójelt nyitva, a molekula spinjeinek elektromágneses térbeli viselkedését első közelítésben Isidor Isaac Rabi rezonancia-effektusa írja le. Az ő nevéhez fűződik az atom és az elektromágneses tér csatolásakor keletkező frekvencia, a Rabi-frekvencia.

     Bezárva a zárójelt, ha a rezonanciafrekvenciát impulzusszerűen alkalmazzuk, és egy impulzus hossza a Rabi frekvenciához tartozó periódusidő negyedéig tart, akkor a spin összefonódott kvantumállapotba kerül, azaz 1/2 valószínűséggel lesz az 1. és 1/2 valószínűséggel lesz a 2. állapotban. Nevezzük az 1. állapotot logikai 0-nak, a 2. állapotot logikai 1-nek. Az atommag spinje ebben az értelemben tudja a klasszikus 0 vagy 1 állapot mellett az összefonódott (entangled) állapotot is tárolni. A két valószínűség az impulzus időtartamával állítható, például ha a Rabi-frekvencia periódusának csak feléig tart az impulzus, akkor a logikai 0-ra beállt spin P1=1 valószínűséggel átvált logikai 1-re, és fordítva.

Miért nem tudja tartani az összefonódott állapotot?

      Mert csak a "0" kvantumállapot van termodinamikai egyensúlyban a környezettel. Mind az "1", mind az összefonódott állapothoz nagyobb energia tartozik. Ez utóbbi kettő mind gerjesztett állapot, tehát a magára hagyott rendszer egy idő után vissza fog állni a legkisebb energiájú állapotába, mit sajátállapotnak nevezünk. A visszaállást pedig relaxálásnak vagy dekoherenciának nevezzük. A klasszikus fizikai rendszerekben a dekoherencia jelensége nagyon gyors, itt viszont elég lassú ahhoz, hogy egy-két számítási műveletet végrehajtsunk. Bonyolultabb számításokhoz a dekoherencia jelenséget késleltetni kell.

Hogyan nyújtják meg az összefonódott állapot időtartamát?

      Ez a nyitott kérdés, erre keresik a legjobb választ. Van pár elmélet, miszerint abszolút nulla fok közelében kell tartani az atomokat, ugyanis ekkor csak a kvantummechanikai mozgás a meghatározó.

Milyen molekulákból építik a számítógépet?

      

A processzor például hidrogén és klóratomokból állhat, kloroform molekulákból. Tudni kell róla, hogy egy szén, egy hidrogén és három klór atomból álló szerves vegyület. Ebben a molekulában a szén és hidrogén atomok spinjének rezonanciafrekvenciája eltérő egymástól és jellemzően a másik atom spinjének logikai állapotától függ. Tudván ezt és ismervén a kloroform szerkezetét (a szénatomhoz kapcsolódik három klór- és egy hidrogénatom) elmondhatjuk, hogy négy, szelektíven címezhető rezonanciafrekvenciával van dolgunk.

Hogyan valósítják meg a több qubites kvantumregisztereket?

       Minden atom alapenergiájú stacionárius állapota és első gerjesztett állapota összefonódhat. A kvantumregiszter nem más, mint ilyen kétállapotú elemek egymás mellé helyezett, összefonódott lánca. Egy ilyen láncot akkor nevezhetünk kvantumregiszternek, ha celláinak általános állapota a stacionárius sajátállapotok szuperpozíciója. A kvantumregiszter tehát összefonódott qubitekből épül fel. Tudjuk, hogy két összefonódott qubitnek egyszerre négy sajátállapota van, így n qubitbő álló regiszternek egyszerre 2^n sajátállapota lehet.

Hogyan állítanak be egy bitsorozatot a kvantumregisztereken?

      Először a molekulát alapállapotba (ground-state) hozzák, vagyis a legkisebb energiájú állapotba. Ezt úgy érik el, hogy erős mágneses térnek kitéve, lassan hűteni kezdik, míg fel nem veszi a "0" állapotot (8 qubites regiszter esetén a "00000000" állapotot). Ebből az alapállapotból, megfelelő pi- időtartamú impulzusok egymás utáni alkalmazásával tetszőleges bitsorozat állítható be a molekulán. Mivel a rendszer lineáris és konzervatív, a Schrödinger egyenletnek tesz eleget, így minden reverzibilis. Ezt úgy kell érteni, hogy míg egyik impulzus átkapcsolja a bitet, a másik rögtön vissza is kapcsolja. Ha az impulzus időtartama 1/2pi akkor a regiszter úgynevezett koherens szuperpozícióba kerül. Például, ha ezt az 1/2pi impulzust az első qubiten használjuk akkor a regiszter (1/2 "00000000" + 1/2 "10000000") kvantumállapotba kerül.

Hogyan hajtják végre a logikai műveleteket a kvantumregisztereken?

      

Logikai kapukkal. A kapuk be- és kimenő bitjeinek száma azonos kell legyen, hogy az invertálhatóság fennmaradjon. A kvantumszámítógép esetén a legegyszerűbb kaput, a NOT kaput a pi-impulzussal oldják meg, hisz az invertálja a qubiteket. Tipikus a C-NOT (Controlled NOT) kapu. Ennek két bemenete van, feladata, hogy átkapcsolja a második qubitet akkor és csakis akkor, ha az első qubit "1" állapotban van.

      Matematikailag a kvantumregiszterek tartalmát komplex számokból álló vektorokkal reprezentálhatjuk. A vektorok "hossza" (az abszolút értékek négyzetösszege) minden állapotban 1.

Összességében miből áll egy kvantumszámítógép?

      A legegyszerűbb példa az egyetlen kvantumregiszterből álló kvantumszámítógép. Ennek tartalma az induláskor lenullázódik, majd rezonáns impulzussorozatokkal beállítják a bemenetei értékeket. Egy újabb impulzussorozat az algoritmust kielégítve NOT és C-NOT logikai műveleteket hajt végre, a regiszter tartalmát lépésről lépésre változtatva. Az algoritmus végeztével NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spektroszkópiával kiolvassák az eredményt - legalább is a NMR eleven működő számítógépek esetén, ahol a számítógép egy folyadékban úszkáló molekula, erős mágneses kamrában. Fontos megjegyezni, hogy ez az elképzelés a NMR-spektroszkópia speciális alkalmazásaihoz kapcsolódik. A kvantumszámítógépek más technológiákat, például szupravezető áramköri elemeket vagy kvantumpontokat is alkalmaznak a kvantumbitek és kvantumkapuk létrehozásához és manipulálásához.

Mik a megvalósítás akadályai?

      A kvantum-szuperpozíció jellemzője, hogy csak addig marad stabil, amíg a kvantumbit nem kerül kölcsönhatásba a környezetével. Ezért nagyon fontos a kvantumrendszerek izolálása. Legbiztosabban adatbevitelkor, valamint a kimenet mérésekor kerül kölcsönhatásba a környezettel, ekkor a felhasználás szempontjából fontos kvantumállapot gyorsan összeomlik, és a benne tárolt kvantuminformáció elvész (dekoherencia). Nagy lépés lesz, ha sikerül egyszer egy ilyen elszigetelt környezetet teremteni.
A következő berendezés egy teljesen új fagyasztási módszert kínál:

 

Az UCLA (University of California, Los Angeles) fizikusai egy olyan technológiát dolgoztak ki, ami tulajdonképpen két hagyományos atomhűtéses technológiát kombinál (a magnetooptikait és az ioncsapdásat), ahol a feltöltött bárium-klorid molekulákat egy ultrahideg kálcium-atomfelhőbe merítik. A többi technológiával ellentétben ez több száz típusú molekulával is működik és sokkal könnyebb kivitelezni. A molekuláris rendszereket vákumban izolálják el a külvilágtól, gyakorlatilag a semmi közepén lebegtetik ezeket. "Ahelyett, hogy az információt a könnyen megbomlandó atomenergia állapotokban tárolnánk, sokkal hatékonyabb, hogyha a molekulák forgási állapotait használjuk a tárolásra. A forgó molekula legalacsonyabb forgási energiaállapota jelenthetné a bináris 1-et, míg a nemforgó molekula a bináris 0-t."

      A molekulák lehűtése nem egyszerű feladat. Még a legegyszerűbb két atomból álló molekula is sokkal összetetteb rendszert alkot mint egyetlen atom. Mindenik molekula másként rezeg és forog, amit lassítani kell, hogy energiát veszítsenek és lehüljenek. A lebegő kálcium-atomfelhőt a minden irányból érkező lézersugarak irányítják. Ez a csapda tartja az atomokat mozdulatlanul míg le nem hűlnek közel abszolút zéróra. Ezután az ioncsapda részeként, speciális rudakkal, melyeken oszcilláló magasfeszültség van, az ultrahideg kálcium-atomfelhőből kiszorítanak egy pozitívan töltött bárium-klorid molekulafelhőt, hogy véghez vigyék a hűtési folyamatot. Ahhoz, hogy a folyton vibráló, energikus molekulák hőt veszítsenek, jelentős időt kell töltsenek ebben az ultrahideg felhőben. A feltöltött molekulákat könnyebb csapdába ejteni és lehűteni mint semleges társaikat. A molekuláris ionok használata lényeges újításnak számít, ugyanis korábbi erőfeszítések már bebizonyították, hogy a semleges molekulák lepattannak az ultrahideg atomokról elégséges hőátadás nélkül. Amikor a molekuláris ion és a semleges atom egymás közelébe ér, összeszorul és összecsomósodik még mielőtt az ion eltávozna. Ilyen fajta ütközéskor az energia könnyen átjut.

Miért számít olyan hatalmas áttörésnek?

      A tökéletes szimulátor fogalmával kezdhetnénk. Az információtechnikában először a nanoelektronika fogalmazta meg ezt a problémát, ugyanis a kvantumfizika összefonódott állapotainak szimulálását csakis összefonódott állapotra képes kvantumobjektum valósíthatja meg tökéletesen, klasszikus digitális számítógép nem. Ha elkészül a kvantumszámítógép, a kvantumfizika törvényeire épülő világunk minden elképzelhető véges fizikai rendszere szimulálható lesz rajta.

A kvantumszámítógépek képesek hatékonyan végrehajtani bizonyos matematikai műveleteket, például gyors Fourier-transzformációt vagy faktorizációt. Ez jelentős előnyt jelenthet bizonyos kriptográfiai problémák megoldásában. Azonban nem minden típusú számítási feladatban lesznek hatalmas sebességnyereségek a kvantumszámítógépek alkalmazásával, legalább is kezdetben.

Filozófia

      A  kvantumfolyamat végkimenetele az alkotóelemek sajátállapotaitól függ. Ez átfordítható a hétköznapi élet történéseire és a történéseket kiváltó okokra. (Pillangóhatás). Magasabbról nézve a dolgokat feltételezhetjük hogy a mi univerzumunk csak egy a sokból, a multiverzum egyik eleme, mely a maga sajátállapota felé igyekszik és szerepet játszik a multiverzum végkimenetelében. Hugh Everett sokvilág-interpretációja (1956) a következőképp szól: „Míg  a multiverzum determinisztikus, mi nem determinisztikus, valószínűségi viselkedést érzékelünk, mivel mi csak ezt az univerzumot tudjuk megfigyelni, azaz csak a mi világunknak a szuperpozícióhoz való konzisztens állapot hozzájárulását.”

      Ha az időutazás lehetséges lenne akkor a múlt megváltoztatása nem lenne hatással a jelenre, csupán újabb párhuzamos világot (lehetséges jelenállapotot) idézne a sok közül. A kvantumszámítógép működése alapján már minden, a bemenethez tartozó lehetséges kimenet létezik ezáltal az időutazás értelmét veszti. Helyette inkább a jelen párhuzamos világai között kellene utazni. 

      A valós idejű kommunikációra áttérve egy teljesen más témával hozzuk összefüggésbe a kvantumszámítógépet. Az elmélet lényege, hogyha egy részecskét szétválasztunk, a két fél, legyen bármilyen távolságra egymástól, ugyanabban az állapotban fog maradni, szigorúan azonos körülmények között. Így ha például egy qubitet választunk el és egyik felét logikai 1-re állítjuk, akkor a másik fele is logikai 1-re fog állni. Az elmélet adott, a technológia viszont még nem. Ráadásul ez azt jelentené, hogy az információ gyorsabban terjed a fénynél, hisz az állapotváltozás instans módon történik. Ez az elképzelés azonban ellentmond a klasszikus fizika és a speciális relativitáselmélet alapelveinek, amelyek szerint semmi sem terjedhet gyorsabban a fény sebességénél az univerzumban. Az információgyorsaságot korlátozza az ún. no-cloning tétel, amely szerint a kvantummechanikában nem lehet hű másolatot készíteni egy kvantumállapotról anélkül, hogy az eredeti állapot megsérülne. Ez azt jelenti, hogy az állapotátvitel és az információ továbbítása a kvantummechanika szabályai szerint korlátozott.

      A teleportálással már régóta foglalkoznak, talán az eddigi legjobb eredmény egy foton teleportálása 100km-es távolságon. A kvantum teleportálás nem arról szól, hogy egy fizikai anyag egyik helyen dematerializálódik, és a másikon re-materializálódik, hanem arról, hogy egy foton továbbítja a kvantum állapotát egyik helyről a másikra, a részecske szétválasztáshoz hasonlóan, a célállomáson pedig egy klón fog keletkezni. Az eredeti foton ebben a folyamatban általában megsemmisül vagy "elbomlik".

Spintronics (Spin Electronics)

      A  kvantumszámítógép az elektronok spinjével számol, ilyen technológia a Spintronics is. Olyan áramkörökről van szó, ahol az elektronok spinjét és nem az elektromos töltését mérik. Különböző anyagok mindkét spinű elektront tartalmazzák és a Spintronics feladata hogy valahogyan ezeket csoportosítsa, fenntartsa az állapotokat és leolvassa az értékeket.

• Csoportosítás: a különböző spinű elektronok sokféleképp csoportosíthatók. Ha egy hengeres elektromos vezetéken az elektromos töltések megindulnak egy irányba, akkor az elektronok spinje a vezető körül kialakult mágneses mező irányába fog mutatni (spin Hall-efektus). A töltések irányváltoztatásakor a spinek is megfordulnak, de külső mágneses mezővel is meg lehet változtatni irányukat. Ha ezek az elektronok egy félvezetőre kerülnek, akkor annak más-más széleire gyülekeznek a különböző spinű elektronok. Ha az elektronokat grafén vezeti, akkor annak is hengeresnek kell lennie a rézvezetőhöz hasonlóan, hogy a spinek mind egy irányba mutassanak (karbon nanocsövek).
• Az állapot fenntartása: például szűrővel, azaz ha már ismert egy elektron spinjének iránya, akkor azt olyan anyagon kell átküldeni, amely csak az adott irányú spinnel rendelkező anyagokat engedi át.
• Leolvasás: a legnagyobb kihívás, ugyanis amint egy szabad elektron kölcsönhatásba lép a környezetével, rögtön megváltozik a spinje. A spinfüggő tunneling eljárás egy foszfor-atomokkal szennyezett szilíciumlapon alapszik, melyen a foszfor-atomok extra elektronokat hoznak létre a szilíciumlapkán, lehetővé téve azok kiválogatását és spinjeinek leolvasását oszcilláló nukleáris mágnesses mezővel (NMR) vagy pedig lézerrel. A lézerfény hatására kötött excitonok jönnek létre, melyek alapjában véve ellentétes töltésű lyukak, melyeket a félvezetőbe lépő fotonok által gerjesztett elektronok hagynak hátra akkor, amikor átlépnek a valenciasávból a vezetési sávba. Ebben az esetben a kötött excitonok a foszfor-szennyeződésben maradnak, ám a Coulomb-erő mindeniket összetartja a hozzá tartozó elektronnal és mikor ezek egyesülnek a felszabaduló energia elég erős lesz ahhoz, hogy kilökje az extra-elektronokat. Az elektronlöket elektromos áramot produkál, melyet megmérve megállapítható az elektronok spinje. Bár a mérés után az elektronok spinje megváltozik, de pontosan meghatározható, hogy milyen volt a változás előtt. Ha tehát az elektron spinjét más mennyiségbe - például elektromos töltésbe - konvertáljuk, akkor a mérés pontossága javul.