2021. OKTÓBER 29.- AKKOR KI A VILÁG URA – KÉRDEZNÉ ATTILA

Szerző: | okt 29, 2021 | Archívum, Gazdaság, Honvédelem, Kína, Történelem, Videó, Vírusnapló, Zene

BEVEZETŐ

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.

kvantum szamitogep

AMERIKAI DEFINICIÓ

A kvantum-számítástechnikában a kvantummechanika alapelveit alkalmazva dolgozzák fel az adatokat. Ezért a kvantum-számítástechnikához más megközelítésre van szükség, mint a hagyományos számítástechnikához. Erre a különbségre egy példa a kvantum-számítógépekben használt processzor. Míg a klasszikus számítógépek ismerős, szilíciumalapú chipeket használnak, a kvantum-számítógépek kvantumrendszereket használnak, például atomokat, ionokat, fotonokat vagy elektronokat. A kvantumtulajdonságaik révén különböző, a 0 és az 1 értéket egyszerre lefedő kvantum-szuperpozícióban lévő biteket képesek előkészíteni.

A kvantumanyagok a kvantummechanika törvényei szerint viselkednek, olyan alapelveket kihasználva, mint a valószínűségszámítás, a szuperpozíció és az összefonódás. Ezek az alapelvek olyan kvantumalgoritmusok alapját képezik, amelyek a kvantum-számítástechnika hatékonyságát használják összetett problémák megoldásához. Ez a cikk a kvantummechanika néhány olyan lényeges alapelvét írja le, amelyre a kvantum-számítástechnika is épül.

A kvantummechanika, más néven a kvantumelmélet a fizika olyan ága, amely atomi és szubatomi szinten foglalkozik a részecskékkel. A kvantum szintjén azonban a mechanika sok biztosnak vélt törvénye nem érvényes. A szuperpozíció, a kvantummérés és az összefonódás a kvantum-számítástechnika három központi jelensége.

Tegyük fel, hogy Ön a nappalijában edz. Teljesen elfordul balra, majd teljesen jobbra. Most forduljon egyszerre balra és jobbra. Nem tudja megcsinálni (legalábbis anélkül nem, hogy ketté ne osztódna). Nyilvánvaló, hogy egyszerre nem lehet mindkét helyzetben – nem tud ugyanabban a pillanatban balra és jobbra is nézni.

Ha viszont Ön egy kvantumrészecske, akkor a szuperpozíció (más néven koherencia) néven ismert jelenség révén bizonyos valószínűséggel balra néz, ÉS bizonyos valószínűséggel jobbra néz.

A kvantumrészecskéknek, például az elektronoknak megvannak a maguk „balra néző vagy jobbra néző” tulajdonságaik, mint amilyen a pörgés, amelyhez a felfelé és a lefelé tulajdonság társítható, de a klasszikus bináris számítástechnikánál maradva mondjuk, hogy 1 vagy 0 lehet az értékük. Amikor egy kvantumrészecske szuperpozícióban van, akkor az az 1 és 0 közötti végtelen számú állapot lineáris kombinációja, de nem tudni, hogy melyik, amíg ténylegesen meg nem nézzük, ami a következő jelenséghez vezet, a kvantumméréshez.

Most tegyük fel, hogy a barátja meglátogatja, és készíteni szeretne egy fényképet arról, ahogy Ön edz. A legvalószínűbb, hogy egy homályos képet készít, amelyen a teljesen balra és teljesen jobbra forduló állapot között látható.

De ha Ön egy kvantumrészecske, érdekes dolog történik. Függetlenül attól, hogy Ön milyen pozícióban van a kép készítésekor, mindig vagy teljesen balra, vagy teljesen jobbra fordul majd rajta – nem jelenik meg köztes állapotban.

Ennek az az oka, hogy a kvantumrészecskék megfigyelése vagy mérése összeomlasztja a szuperpozíciós állapotot (más néven dekoherencia történik), a részecske pedig a klasszikus 1 vagy 0 bináris állapotba kerül.

Ez a bináris állapot hasznos számunkra, mert a számítástechnikában sok mindenre lehet használni az 1-eseket és a 0-kat. Egy kvantumrészecske megmérése után azonban örökké abban az állapotban marad, amellyel végül egybeesett (hasonlóan a fényképhez), és mindig 1 vagy 0 lesz. Ahogy azonban később látni fogja, a kvantum-számítástechnikában vannak olyan műveletek, amelyek „vissza tudják állítani” a részecskéket a szuperpozíciós állapotba, hogy ismét használhatók legyenek a kvantumszámításokhoz.

A kvantummechanika valószínűleg legérdekesebb jelensége, hogy két vagy több kvantumrészecske össze tud fonódni egymással. Amikor részecskék fonódnak össze, egyetlen rendszert alkotnak, így egyetlen részecske kvantumállapota sem írható le a többi részecske kvantumállapotától függetlenül. Ez azt jelenti, hogy bármilyen műveletet vagy folyamatot alkalmaz az egyik részecskére, az a többi részecskére is hat.

Az egymástól való függőség mellett a részecskék akkor is képesek megőrizni ezt a kapcsolatot, ha hihetetlenül nagy távolság, akár fényévek választják el őket egymástól. A kvantummérés hatásai az összefonódott részecskékre is érvényesek, tehát amikor egy részecskét megmérnek, és felvesz egy állapotot, akkor a másik részecskével ugyanez történik. Mivel az összefonódott qubitek között korreláció van, egy qubit állapotának megmérése a többi qubit állapotáról is információt nyújt – ez a tulajdonság nagyon hasznos a kvantum-számítástechnikában.

A hagyományos számítógépek bitekben tárolják és dolgozzák fel az információkat, amelyek állapota 1 vagy 0 lehet, de mindkettő soha. A kvantum-számítástechnikában ennek a qubit felel meg, amely egy kvantumrészecske állapotát képviseli. A szuperpozíció miatt a qubitek értéke 1 vagy 0, illetve ezek között bármi lehet. A konfigurációtól függően van egy bizonyos valószínűsége annak, hogy a qubit 1-gyel vagy 0-val esik egybe. A kvantum-interferencia határozza meg annak valószínűséget, hogy a qubit az egyik vagy a másik értékkel esik-e egybe.

Emlékszik a barátjára, aki a képet készítette? Tegyük fel, hogy a fényképezőgépén speciális szűrők vannak, úgynevezett interferenciaszűrők. Ha a 70/30 szűrőt választja, és elkezd fényképezni, a képek 70%-án balra fog nézni, a 30%-ukon pedig jobbra. A szűrő módosította a fényképezőgép szokásos állapotát a viselkedése valószínűségének befolyásolása érdekében.

A kvantum-interferencia ugyanilyen hatással van a qubitek állapotára, hogy a mérés során befolyásolja bizonyos eredmények valószínűségét, és a kvantum-számítástechnika ennek a valószínűségi állapotnak a terén remekel.

Egy hagyományos számítógépen például két bit esetén az egyes bitek 1 vagy 0 értékkel rendelkezhetnek, együtt tehát négy lehetséges értéket tárolhat velük (00, 01, 10 és 11), de egyszerre csak az egyiket. Két, szuperpozícióban lévő qubit esetén azonban mindkét qubit lehet 1, 0 vagy mindkettő, így egyszerre jelölhetik ugyanazt a négy értéket. Három qubittel nyolc értéket jelölhet, négy qubittel 16-ot és így tovább.

Ezek a fogalmak csak a kvantummechanika felszínét súrolják, de alapvető fontosságúak a kvantum-számítástechnikában.

  • Szuperpozíció – A kvantumrészecskék azon képessége, amellyel az összes lehetséges állapot kombinációja lehetnek.
  • Kvantummérés – A szuperpozícióban lévő kvantumrészecskék megfigyelése, amely a lehetséges állapotok egyikét eredményezi.
  • Összefonódás – A kvantumrészecskék azon képessége, amellyel korrelálni tudják egymással a mérési eredményeiket.
  • Qubit – Az információk alapegysége a kvantum-számítástechnikában. Egy qubit egy kvantumrészecskét képvisel az összes lehetséges állapot szuperpozíciójában.
  • Interferencia – A qubit a szuperpozíció miatti eredendő viselkedése, amellyel az egyik vagy másik értékkel való egybeesés valószínűsége befolyásolható.

LEGÚJABB (Bodnár Zsolt)

A Kínai Tudományos és Műszaki Egyetem (USTC) kutatói bemutatták a világ legerősebb kvantumszámítógépét: egy júniusban elvégzett teszt során a 66 qubites (vagyis kvantumbites) kvantumprocesszorral felszerelt gép alig több mint egy óra alatt elvégzett egy olyan összetett feladatot, amely a világ legnagyobb teljesítményű klasszikus szuperszámítógépének nyolc évébe telt volna.

Kínának nem ez az első jelentős eredménye a kvantumszámítógépek terén. Míg 2019-ben elsőként a Google jelentette, hogy az 54 qubites Sycamore processzora elérte a kvantumfölényt (200 másodperc alatt végzett el egy szuperszámítógép által 10 ezer év alatt elvégezhető számítást), egy évvel később Kínából jelezték, hogy megdőlt a rekord.

A Jiuzhang nevű processzort ugyan 76 qubitesnek mondták, de ebben valójában manipulált fotonokkal helyettesítették a kvantumbiteket, és mivel ezeket nem lehet újraprogramozni más feladatok és számítások elvégzésére, inkább elméleti, mint gyakorlati jelentőséggel bírt.

Most ugyanaz a kínai kutatócsoport állt neki egy programozható kvantumszámítógép építésének. A szupravezető qubitekkel operáló új kvantumprocesszor a Zuchongzhi nevet kapta (az 5. században élt kínai matematikus és csillagász, Cu Csung-cse után), amelynek 66 qubitjéből 56-ot használtak egyszerre egy számítási feladat elvégzéséhez.

Becslésünk szerint a Zuchongzhi által 1,2 óra alatt elvégzett mintavételi feladat legalább nyolc évébe telne a világ legerősebb szuperszámítógépének. A feladat klasszikus szimulációjának számítási erőforrásigénye körülbelül 2-3 nagyságrenddel magasabb, mint a Sycamore 53 qubittel elvégzett korábbi feladatáé” – írták a kínai mérnökök az egyelőre preprint formában közzétett tanulmányban, rámutatva, hogy a kvantumszámítógépekben egy-egy qubit hozzáadásával exponenciálisan lehet növelni a teljesítményt.

A Zuchongzhi tehát nemcsak, hogy elérte a sokat hangoztatott kvantumfölényt, de programozható platformjának köszönhetően, ahogy írják: „új utakat nyit a sokrészecskés jelenségek felfedezése és a komplex kvantumalgoritmusok végrehajtása felé.”

 

RSS Hírstart hírei