A kvantumszámítástechnika és a kvantumkommunikáció az életünk számos területét érinti majd, beleértve az egészségügyet, az energiaipart, a pénzügyi szektort, a védelmi ipart, és a szórakoztató szektort is. A legújabb tanulmányok szerint 2030-ra már több milliárd dolláros “kvantumipar” kialakulása várható. Mielőtt azonban ez valóra válna, még jelentős gyakorlati kihívásokat kell leküzdeni.

Kvantumszámítógép a bináris ellen

Noha a kvantumelmélet már több mint egy évszázados múltra tekint vissza, a most érkező kvantumforradalom azon az újabb felismerésen alapul, hogy az a bizonytalanság, ami kvantumrészecskék alapvető tulajdonsága, és ami annyira megnehezíti a terület megértését és megismerését, nem csupán hátrány, de hatalmas erőforrás is lehet. 

Az egyes kvantumrészecskék, például elektronok vagy fotonok (fényrészecskék) szintjén lehetetlen pontosan megismerni egy részecske minden tulajdonságát egy adott pillanatban. Egy jól felextrázott mobiltelefon például ma képes megmondani a tartózkodási helyünket, a tengerszint feletti magasságunkat, a haladási sebességünket és annak irányát, és célba juttathat bennünket bárhová is tartunk. Egy kvantum-mérőeszköz nem képes egyidejűleg és pontosan megjeleníteni az elektron összes tulajdonságát, nem azért, mert tökéletlen lenne, hanem mert a kvantumfizika törvényei tiltják.

A kvantumvilágban a valószínűség nyelvén beszélünk és nem pedig a bizonyosságén.

A vagy 0 vagy 1 értéket felvevő, bináris számjegyeken (biteken) alapuló számítástechnikával összehasonlítva ez azt jelenti, hogy a kvantumszámítástechnika alapegysége a kvantumbit (qubit) némi valószínűséggel az 1, és ugyanennyi valószínűséggel a 0 értéket veszi fel, ugyanabban a pillanatban. Egyszerre. Egy kvantumszámítógép a kvantumbiteket kvantum logikai kapuk használatával manipulálja.

Ezt persze nehéz megemészteni, és dolgozni sem könnyű vele. A hagyományos, klasszikus számítógépekben a 0 és az 1-es fontos szerepet töltenek be, kapcsolókat működtetnek, eldöntik, hogy egy adott elektronikus áramkör éppen be, vagy ki van kapcsolva. Hogyan is lehetne egyszerre mindkét állapotban?

Matematikai szempontból sem lenne sok értelme, ha nem tudnánk, hogy az áramköreink be vannak-e kapcsolva, vagy éppen nem, és ez garantált hibákat okozna a számításokban.

A kvantuminformáció feldolgozásának forradalmi elképzelése viszont az, hogy a kvantumbizonytalanság, a 0 és az 1 „szuperpozíciója” közötti homályos állapot, valójában nem hiba, hanem előny. Új lehetőséget kínál az adatok erőteljesebb kommunikációjához és a feldolgozás hatékonyabb módjaihoz.

Kvantumkommunikáció és kvantumszámítástechnika

A kvantumelmélet valószínűség-természetének egyik eredménye, hogy a kvantuminformációt nem lehet pontosan lemásolni. A biztonságtechnológiai-, és a védelmi ipar szempontjából ez bizony nem kis teljesítmény. Az üzenetek titkosításához és továbbításához használt kvantumkulcsokat másolni próbáló hackerek kudarcot vallanak, még akkor is, ha hozzáférnek egy kvantum számítógéphez vagy hasonlóan erőteljes erőforrásokhoz. Ez a feltörhetetlen titkosítás a fizika alapvető törvényein alapul, nem pedig a ma elterjedt komplex matematikai algoritmusokon.

A matematikai titkosítási technológiák épp eléggé sérülékenyek ahhoz, hogy elég erős számítógép birtokában feltörhetőek legyenek, a kvantumtitkosítás feltöréséhez azonban már a fizika törvényeit kellene megsérteni.

A kvantumszámítógépek tehát alapvetően különböznek a jelenlegi klasszikus számítógépektől, ahogy a kvantum titkosítás is alapvetően különbözik a matematikai bonyolultságon alapuló jelenlegi titkosítási módszerektől.

A különbség szemléletesen olyan, mint egy hőlégballon, egy repülőgép és egy űrhajó között. Az űrhajó olyan fizikai törvények kiaknázására épül, melyek különböznek hőlégballon, és a repülőgép jelentette utazási formát lehetővé tevő törvényektől. Az űrhajó sokkal gyorsabb, és új, a másik kettővel korábban elérhetetlen célokhoz is eljuttathat. 

Ugyanez elmondható el egy kvantumszámítógépről is, a klasszikus számítógéphez képest. A kvantumszámítógép például akár kvantumteleportálást végezhet, ahol a kvantumrészecskékbe kódolt információ eltűnik az egyik helyen, és pontosan (bár nem azonnal) újból előbukkan egy másik helyen, az előző helytől akár hatalmas fizikai távolságban.

Bár ez konkrétan sci-fi-nek hangzik, az adatátvitelnek ez az új formája a jövőben a kvantum internet létfontosságú eleme lehet. A kvantumszámítógép a számításokat egymással párhuzamosan hajtja végre, ezért programozásához speciális programozási módszer szükséges.

Gyógyszerfejlesztés, anyagtervezés, bigdata

A kvantumszámítógépek számítási komplexitása és nyers ereje szinte bármilyen kutatási területen garantálhatja a gyors és forradalmi áttöréseket, de az egyik különösen fontos alkalmazásuk a molekulák szimulálása és elemzése lehet a gyógyszerfejlesztés és az anyagtervezés területein.

A kvantumszámítógép mintha kifejezetten erre lenne kitalálva, egyedülállóan alkalmas erre a feladatra, mert ugyanazokkal a kvantumfizikai törvényekkel működik, mint az általa szimulált molekulák. A kvantumkémia szimulációjára szolgáló kvantumeszköz használata például sokkal hatékonyabb lehet, mint manapság a leggyorsabb klasszikus szuperszámítógépek használata.

A kvantumszámítógépek ideálisak lesznek a komplex optimalizálási feladatok megoldására és a szűretlen, nyers, hatalmas adattárakban történő gyors keresésre is. Ez rengeteg alkalmazásban lehet kritikus fontosságú: a lista az éghajlati adatok, az egészségügyi vagy pénzügyi adatok leválogatásától kezdve az ellátási láncok logisztikájának optimalizálásán keresztül, a munkaerő-menedzsmentig vagy a forgalomszervezésig terjedhet, ténylegesen nehéz olyan területet mondani, ami ekkora nyers erővel rendelkező erőforrás bekapcsolásával ne fejlődhetne néhány nagyságrendet, az eddigi tempóhoz képest egy szempillantás alatt.

Kvantum jövő

A kvantumverseny már réges-régen zajlik. Kormányok és a magánbefektetők a világ minden tájáról dollármilliárdokat öntenek bele kvantumkutatásba és a fejlesztésekbe. Bemutatták már a titkosítás területén forradalmi műholdas kommunikáció alapú kvantumkulcs-elosztást, létrehozva egy potenciális kvantumbiztonsági alapú globális kommunikációs hálózatot.

Az IBM, a Google, a Microsoft, az Amazon és más vállalatok is, jelentős beruházásokat hajtanak végre a nagy volumenű kvantumszámítástechnikai hardver és szoftver fejlesztésekben. 

Azonban még senki nem érte el a nagy áttörést. Igaz, hogy a kisméretű kvantumszámítógépek már működnek, a technológia fejlődésének viszont komoly akadálya a hibák kezelésének relatív megoldatlansága. A bitekhez képest a qubitek hihetetlenül törékenyek. A legapróbb külvilágból érkező zavarás is elegendő a kvantum információ elpusztításához. A legtöbb mai kvantumszámítógépet gondosan árnyékolni kell, olyan elszigetelt helyiségekben, melyekben jelentős mértékben alacsonyabb a hőmérséklet, mint a  világűrben.

A kvantumhiba-korrekció elméleti keretei kidolgozás alatt vannak, és bár szinte hetente jelenik meg új eljárás vagy felfedezés a területen, ennek az energia- és erőforrás-hatékony megvalósítása egyelőre jelentős mérnöki kihívásokat jelent.

Az elmúlt években a kvantumtechnológiák területén jelentős növekedést láthattunk, és a teljesen működőképes kvantumszámítógépek és a látványos új kvantumipar sincs már messze. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma például nemrég jelentett be öt új Nemzeti Kvantuminformatikai Kutatóközpontot (National Quantum Information Science Research Center). A 2018 decemberében törvénybe iktatott Nemzeti Kvantum Kezdeményezési Törvény alapján létrehozott új központok öt év alatt 625 millió dolláros finanszírozást kapnak majd.

(Forrás: Kép: Needpix, University of Chicago, Google, Fermilab, Microsoft, Aalto University, University of Alberta, University of Copenhagen)