kvantum szamítógép

A korábbi bejegyzésünkben írtunk a hat technológiáról, ami uralni fogja a 2022-ben is a digitális ökoszisztémát, ebből a kvantumszámítógépet vizsgáljuk most meg kissé részletesebben. A kvantumszámítógép gyakorlati megvalósítása a kezdeti lépéseknél tart, egyelőre kísérleti fázisban van.

A kvantumrendszerek fizikájában robbanásszerű fejlődés ment végbe az 1990-es évek óta, sok nagy cég dolgozott ezen a területen, mint az IBM, Google, Microsoft, Huawei, és olyan „új”, kisebb cégek is megjelentek, mint a a D-Wave, a Honeywell, vagy az Alibaba.com.

Jelenleg kormányzati szinten is kiemelten kezelik ezeket a kutatásokat, mert hatalmas innovációs potenciál rejlik a témában, korunkat szokás a “második kvantumforradalomnak” nevezni.

Európában az Unió létrehozott egy kutatási alapot, ez a Quantum Flagship, amely 2018-ban 1 Mrd eurót kapott, hogy élmezőnybe juttassa ezen a területen a fejlesztéseit, rövid időn belül Amerika is 1,2 Mrd dollárt invesztált a kvantum kutatásokba, a 2021 -ben pedig a franciák jelentették be, hogy 1,8 Mrd eurót különítenek el a kvantumtechnológia fejlesztésére.

Magyarországon is kormányzati források finanszírozzák ezeket a kutatásokat, hazánkban létrejött a Kvantum Informatika Nemzeti Laboratórium, ahol, nemzetközileg magasan jegyzett kutatócsoport dolgozik kvantuminformatikai témákon. A Laboratórium összefogja ezen hazai fizikus, mérnök, matematikus és informatikus erőforrásokat, amelyek tevékenységét tovább lehet fókuszálni a kvantumtechnológia egyes gyorsan kialakuló elméleti és alkalmazott területeire.

Néhány fogalmat nézzünk át mielőtt rátérnénk a kvantumszámítógépekre.

Mi a kvantumfizika:

A kvantumfizika a tudomány olyan ága, amely a részecskék tulajdonságait, viselkedését és kölcsönhatásait vizsgálja atomi és szubatomi szinten.

A kvantum bármely fizikai entitás minimális mennyisége. Ezt a kifejezést közvetlenül a latinul vették át a német fizikus, Max Planck (1858–1947), és a részecskékben koncentrált legkevesebb energiamennyiségre utal, mint például a foton. A foton egy fénykvantum.

A kvantum-koncepciót 1900-ban hozták létre a Planck által felvetett kvantumelmélet javaslata alapján, ahol elmagyarázta a fekete test vagy a sötét test sugárzását.

A kvantumelméletet 1905-ben megerősítette Albert Einstein fizikus, amikor elmagyarázta a fotoelektromos hatást (amelyre emellett Nobel-díjat nyert). De csak 1920-ban határozták meg, hogy ezeket a részecskéket vizsgáló tudományt kvantummechanikának, a fizika egyik ágaként nevezik meg.

Különbség a kvantumfizika és a kvantummechanika között

Sok tekintetben a kvantumfizika, a kvantummechanika és a kvantumelmélet kifejezéseket szinonimákként használják. Általánosságban ugyanazt jelentik, bár elméletileg különböznek egymástól.

A mechanika a fizika egyik ága. Az 1912-ben a fizika által formalizált kvantumelméletet egy másik mezőként definiálták az 1922-es évben, kvantummechanikának nevezik, mivel meghatározza a kvantum mozgásait és kölcsönhatásait. Ebben az intézkedésben a kvantum elemek elemét és tulajdonságait vizsgáló tudomány helyes említésének módja a kvantummechanika, nem pedig a kvantumfizika.

Kvantumszámítógép

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

A kvantum-összefonódás az a jelenség a kvantummechanikában, amikor két objektum kvantumállapota között összefüggés van olyan értelemben, hogy a teljes rendszer kvantumállapotát nem lehet a részrendszerek kvantumállapotának megadásával leírni. Összefonódás fennállhat egymástól térben távol eső objektumok között is.

A kvantumszámítógép nem alkalmas a mindennapi feladatok elvégzésére, de képes gyorsan megoldani azokat a matematikai problémákat, amelyeken a modern kriptográfia alapul. Egy kvantumszámítógép képes lehet olyan számítások hatékony elvégzésére, amik a klasszikus bináris gépekkel, digitális számítógépekkel gyakorlatilag megoldhatatlanok.

Alkalmazásukkal megoldható lenne a részletesebb pénzügyi elemzés elkészítése, esetleg pontosabb lehetne az időjárás előrejelzés, továbbá a kriptográfiában is kulcsszerepet játszhat majd. Használatukkal a legtöbb enkriptálás, vagyis titkosítás művelet faktorálással, azaz óriás számok prímszámokra bontásával visszafejthető.

A kvantumgépek legfontosabb használati körét általában az anyag kutatásban, kriptográfiában, gyógyszerészetben, pénzügyi elemzésekben és a mesterséges intelligencia, az önvezető járművek kutatásában látják a szakértők.

Milyen elven működik?

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. (Bár már léteznek olyan gépek is, amelyek szobahőmérsékleten is működnek.) A bemenetet mikrohullámú impulzusok jelentik, amik befolyásolják a részecskék állapotait. A kimenő jeleket magas szintű kvantummechanikai ismeretekkel rendelkező operátorok értelmezik.

A kvantumszámítás alapelvei

Egy kvantumszámítógép kvantumbitek sorozatát kezeli.

Mi a kvantumbit

A kvantumbit, vagy qubit (esetenként qbit) a kvantum-információelméletben az információ alapegysége, a kvantumszámítógépekben a bit megfelelője. A gyakorlatban a qubit egy kétállapotú kvantumrendszer.

Egy kvantumbit nullát, egyet vagy ezek kvantum-szuperpozícióját tartalmazhatja, ami végtelen számú állapotot tesz lehetővé. Egy kvantumszámítógép ezeket a kvantumbiteket kvantum logikai kapuk használatával manipulálja.

A kvantum-szuperpozíció a kvantummechanikai rendszerek azon állapota, mikor egyidejűleg két (vagy több) helyzetben is (például van-nincs állapotban) létezhetnek egyszerre.

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 kvantumszámítógépek teljesítménye – Wikipedia:

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).

 Összehasonlításul, egy kvantumszámítógép a törzstényezőkre bontás problémáját a Shor-algoritmus használatával sokkal hatékonyabban tudná megoldani, mint egy klasszikus számítógép. Ez a képesség lehetővé tenné, hogy egy kvantumszámítógép “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 kvantumszámítógépet építsen és használjon.

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

A kvantumszámítógépek 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 kvantumszámítógépeknek 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) kvantumszámítógépek 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 kvantumszámítógép 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 kvantumszámítógépet használni, ez mindenképpen kitűnő segédeszköz kvantummechanikai kölcsönhatások tanulmányozására, ami önmagában is hatalmas érték a tudományos közösség számára.

Kvantumfölény

A kvantumszámítógépek hihetetlen erejét és teljesítményét a hagyományos gépekkel szemben az adja, hogy egy probléma megoldása közben számba vehetnek minden lehetőségét és ráadásul egyidejűleg.

A bitek a klasszikus számítástechnika alapvető információobjektumai, a kvantumbitek is a kvantum-számítástechnika alapvető információobjektumai. Míg egy bit vagy bináris számjegy értéke 0 vagy 1 lehet, a qubitek értéke lehet 0, 1 vagy 0 és 1 kvantum-szuperpozíciója.

Mi az a kvantuminternet?

A kvantuminternet egy olyan hálózat, amely lehetővé teszi, hogy a kvantumeszközök információt cseréljenek egy olyan környezetben, amely a kvantummechanika speciális törvényeit alkalmazza. Elméletileg ez a kvantuminternetnek olyan példátlan képességeket kölcsönözne, amelyeket a mai webalkalmazásokkal lehetetlen megvalósítani.

A kvantumvilágban az adatok kvantumbitek állapotában kódolhatók, amelyek kvantumeszközökben, például kvantumszámítógépben vagy kvantumprocesszorban hozhatók létre. A kvantuminternet pedig leegyszerűsítve magában foglalja a kvantumbitek küldését több, fizikailag elválasztott kvantumeszköz hálózatán keresztül. Döntő fontosságú, hogy mindez a kvantumállapotokra jellemző speciális tulajdonságoknak köszönhető. Eddig ez hasonló működést mutat, mint a szabványos internet. De a kvantumbitek kvantumcsatornán küldése gyakorlatilag a részecskék viselkedésének kiaknázását jelenti, ha a legkisebb léptékben vizsgáljuk – az úgynevezett „kvantumállapotokat”.

Annak a megértéséhez, hogy miként működik az internet 2.0 kvantumökoszisztémája, érdemes lesz elfelejtenünk mindent, amit a klasszikus számítástechnikáról tudtunk. Mert a kvantuminternet nem fog emlékeztetni a jelenlegi webböngészőnkre.

Összeségében elmondható, hogy a kvantumszámítógépek nem olyan szuperszámítógépek, amelyek mindent meg tudnak oldani, hanem inkább, hogy valamit gyorsabban vagy sokkal hatékonyabban tudnak elvégezni, mint a klasszikus számítógépek. A kvantum-számítástechnikai kutatások egyik célja annak a tanulmányozása, hogy mely problémákat oldhat meg gyorsabban a kvantumszámítógép.

A kvantumszámítógépek rendkívül jól használhatók olyan problémák esetén, amelyekhez számos lehetséges kombináció kiszámítása szükséges. Az ilyen típusú problémák számos területen megtalálhatóak.

Fejlesztésükkel párhuzamosan magukkal vonják a mesterséges intelligencia ugrásszerű fejlődését is, például az önvezető autók innovációjában. De képesek lesznek a kémiai reakciók egész pontos modellezésére is, felvehetik a molekulák tulajdonságait, mely alapján lehet majd szimulálni azok interakcióit, megkönnyítve ezzel a tudósok munkáját.

Források:

  • https://www.zdnet.com/article/what-is-the-quantum-internet-everything-you-need-to-know-about-the-weird-future-of-quantum-networks/
  • https://ithon.hu/kvantumszamitogep-hogyan-mukodik-a-vilagmegvalto-technologia
  • https://raketa.hu/kinae-a-kvantumfoleny
  • https://hu.encyclopedia-titanica.com/significado-de-f-sica-cu-ntica
  • https://raketa.hu/europa-elso-kereskedelmi-kvantumszamitogepe-ibm-q-system-one

Vélemény, hozzászólás?

Rendszergazda szolgáltatás központi hibák vészeseti vonala
ElérhetőségekElérhetőségek