A kvantumkomputerek alapvetően különböznek az eddig ismert, félvezető alapú számítógépektől. A hagyományos rendszerekben egy adattároló alapelem - attól függően, hogy az elektromágneses töltése pozitív vagy negatív - a kettes számrendszerben megjelenítheti a 0-t vagy az 1-t. Ezzel a kóddal bármi leírható, végső soron szinte minden feladat megoldható. Csakhogy bizonyos problémák kezeléséhez rengeteg számításra van szükség, ami hatalmas számítási kapacitásokat feltételez. Például a meteorológiai előrejelzésekhez vagy komplex tőzsdei termékek összeállításához és kereskedéséhez szuperszámítógépeket alkalmaznak. De ezek a hatalmas elektronikus agyak, amelyek szinte mind egyedi építésűek, csak játékszerek lehetnek egy kvantumkomputer mellett, amely egy teljesen más világ szülötte. Egész pontosan a szubatomi világé, ahol a megszokottól eltérő fizika érvényesül.

Megnyílik a végtelen

Ennek az a legfontosabb gyakorlati következménye, hogy az ilyen elektronikus agyak végtelenül gyorsak lehetnek. Az itteni információs alapegységek, a qubitek speciális tulajdonságai miatt ugyanis például egy önálló 250-qubites rendszer több bitnyi információt képes tárolni, mint ahány atom van az univerzumban.

Kvantumchip gyémánttal a közepén. Végtelenül nagy lehetőségek végtelenül kis térbe sürítve

University of South California

A klasszikus példa az ilyen megoldás hasznosságára a kereskedőé, akinek különféle boltokba kellene a legrövidebb úton elvinni az áruját. A legrövidebb utat, amely az összes üzletet érinti, csak próbálkozásokkal találhatja meg, ami rengeteg idővel jár. A kvantumvilágban próbálkozás nélkül is azonnal az összes lehetőséget ismerni fogja, s innen már csak egy lépés a legrövidebb út kiválasztása. Minél bonyolultabb a feladat, a kvantumszámítógép előnye annál nagyobb. A speciális tulajdonságuk miatt ezek az eszközök rendkívül jól alkalmazhatók például kriptográfiai feladatokra, kódok írására és akár feltörésére, fehérjék tervezésére vagy meteorológiai számításokra.

E gépek rendkívüli sebességgel képesek a keresőalgoritmusok futtatására is. A Google már 2009-ben elkezdte vizsgálni annak a lehetőségét, hogy egy kép apró részletét hogyan képes kikeresni hatalmas strukturálatlan adathalmokból a kvantumszámítógép. Ez nagyon érdekelné a hatóságokat is, bűnüldöző szerveket, terrorelhárítókat, hiszen könnyedén megtalálható lenne egy lopott autó, egy gyanús arc az óriási mennyiségű felvétel között, amelyet a legkülönfélébb eszközök rögzítenek, de a gigantikus adathegyekből ma még képtelenség kikeresni e nyomokat. Ez a perspektíva azért elég félelmetes, hiszen már jelenleg is eléggé kiszolgáltatottak vagyunk amiatt, hogy különösen online tevékenységünk folytán a magánéletünk és a nyilvános megjelenésünk mindinkább összefolyik. Így aztán a kvantumszámítógépek ilyenféle használatát a polgárok védelme érdekében bizonyosan szabályozni kell.

Még másfél évtized

Hogy mennyi időnk van erre? Az IBM úgy becsüli, hogy akár 15 éven belül építhetünk nomrál körülmények között működő kvantumszámítógépeket. Az amerikai óriáscég tudósai a minap az Amerikai Fizikai Társaság előtt ismertették azt a sikeres kísérletet, amely hosszú időre megoldhatja a kvantumkomputerek fejlesztésének kritikus problémáit, például a kvantum információs qubitek élettartamának megnövelését.

A fejlesztés legnagyobb akadálya pillanatnyilag ugyanis az információt hordozó qubitek (amelyek ugye felvehetnek 0 vagy 1 értéket vagy mindkettőt egyszerre) élettartamának rövidsége. Korábban egy-egy qubit csak pár milliárdod másodpercig létezett, ami a számítástechnikai felhasználáshoz túl kevés. Az IBM azonban a Yale egyetemmel közösen olyan megoldást dolgozott ki, amely 100 mikroszekundumig fennmarad. Ez pedig már elég.

A kvantumkomputerek építésének lehetőségeit szerte a világon kutatják. A minap egy nemzetközi tudóscsoport a Nature tudományos folyóiratban ismertette, hogy egy gyémántban sikerült a külső zavaroktól védett kvantumszámítógépet kialakítani. Tudnivaló ugyanis, hogy a qubitek rendkívül érzékeny jószágok. Zavarja őket az elektromágneses sugárzás, a közönséges rezgések, de még a hőmérsékletváltozás is. Ezért a gyémántba épített kvantumagy akár komoly áttörést is eredményezhet, mert szilárdtestekben épített rendszerek – szemben a korábbi folyadék és gázállapotú megoldásokkal – felnagyított méretekben is könnyebben kivitelezhetők.

A kutatók a mostani fejlesztés során a gyémántok tökéletlenségeit használták fel, amelyek segítségével ki tudtak jelölni egy nitrogén atommagot, amely az első qubit lett, aztán egy elektront is, amely a második qubit lett. Az elektron kisebb és sokkal gyorsabb számításokat lehet végezni vele, mint a hozzá képest hatalmas és lassabban forgó atommaggal, ami viszont sokkal stabilabb.

Magyar szenzáció

Az év elején egy jelentős magyar felfedezés is nyilvánosságra került, amely Kroó Norbert és kutatócsoportja nevéhez fűződik. A magyar csapat az úgynevezett felületi plazmonokkal, egy új típusú fénnyel kísérletezett. Ez a fém felületén lévő vezetési elektronoknak a lézerfény segítségével gerjesztett hullámszerű mozgása. Az új típusú fényt úgynevezett pásztázó alagútmikroszkóppal lehet detektálni, ami nem más, mint egy nagyon hegyes tű egy fémfelülettel szemben.

„Amennyiben nagyon közel van a tű a fémfelülethez, akkor úgynevezett alagútáram keletkezik, tehát anélkül, hogy a tű hozzáérne, folyik az áram a mikroszkópon keresztül, ha feszültség alá helyezzük, mint egy diódát. Azt fedeztük fel, hogy akkor is folyt az áram, hogyha nem kapcsoltunk feszültséget a mikroszkópra, továbbá akkor is, ha nullára csökkentettük az új típusú fényt gerjesztő lézer intenzitását" – mondta Kroó Norbert az MTI-nek.

Az akadémikus kifejtette: amikor azt vizsgálták, hogy milyen görbéket nyernek a mikroszkópra adott feszültség növelésével, majd csökkentésével, kiderült, hogy azok nem egyenletesen, hanem lépcsőzetesen változnak. "Az ember egy ’monoton’ görbét várna, ezzel szemben ’lépcsőfokokat’ nyertünk, ami csak kvantummechanikai képpel képzelhető el. Tehát egy újabb kvantummechanikai effektust találtunk, ami szenzációt keltett… A mérések kimutatták, hogy egy-egy ilyen lépcsőben nagyon kevés elektron vesz részt. Ilyen kevés elektronnal reményeim szerint az elektronikai eszközökkel analóg optikai eszközöket is lehet előállítani, és (egy álom) talán még kvantumszámítógépet is lehet készíteni" – foglalta össze Kroó Norbert.