Mikor Erwin Schrödinger 1935-ben létrehozta a kvantumvilág leghíresebb macskáját, azzal a céllal tette, hogy illusztrálja, mennyire abszurd, a 'hagyományos' fizikai szabályoktól eltérő módon működik a legkisebb részecskék viselkedése, ahol a newtoni törvények nem tűnnek érvényesnek többé. Se Schrödinger, se Einstein nem örült a macska által bemutatott különös jelenségnek, azonban bizonyította Niels Bohr, dán fizikus elméletét, amelyet a koppenhágai interpretációban is kifejtett, és amely szerint egy kvantumrészecske egyszerre több állapotban létezik egyszerre, vagyis a szuperpozíció állapotában van egészen addig, amíg meg nem figyelik.

Maga a megfigyelés aktusa kényszeríti a részecskét arra, hogy 'válasszon' egy állapotot a lehetőségek közül. Ezeknek a lehetőségnek a teljes spektrumát nevezzük hullámfüggvénynek. Kvantumugrásnak pedig azt, mikor az elektron vagy atom egyik energiaállapotból a másikba kerül. Az anekdota szerint, mikor Schrödinger 1926-ban látogatóban járt Dániában Bohrnál, a napokig elhúzódó vita után végül kijelentette:

"Ha a kvantumugrások maradnak, akkor sajnálom, hogy valaha is belekeveredtem a kvantummechanikába."

A kvantumugrások azonban maradtak és 1986-ban már sikerült megfigyelni is őket egyidejűleg, de egymástól függetlenül, amerikai és német laboratóriumokban is. Az elektronok állapotainak ez a diszkontinuitása (nem folytonos viselkedése) a dán fizikus szerint random és ezért előrejelezhetetlen módon következik be, míg Schrödinger úgy gondolta, hogy kell lennie folytonosságnak a részecskék viselkedésében. 2019-ben a Yale kutatói, Zlatko Minev vezetésével, bebizonyították, hogy Bohr tévedett a predikcióiban, illetve tulajdonképpen mindkét tudósnak igaza volt: míg hosszú távon valóban kiszámíthatatlan módon következnek be a kvantumugrások, de rövid távon nagyon is előrejelezhető az érkezésük.

Ehhez mikrohullámmal sugároztak be egy 3D üregbe zárt atomot, hogy előidézzék az ugrást, és megfigyelték, hogy közvetlenül a változás előtt, mielőtt az atom az úgynevezett sötét állapotába került volna, hirtelen fényt bocsátott ki, majd közvetlenül utána eltűntek azok a fotonok, amelyeket a gerjesztett atom mellékállapotából eredtek. Ami azt jelenti, hogy van koherencia a változásokban és ezzel az új tudással felvértezve a kutatók már el tudják kapni, sőt, meg is tudják fordítani a részecskék ugrását, vagy ha úgy tetszik, meg tudják menteni Schrödinger dobozba zárt macskáját.

Ez pedig nagyon fontos képesség lehet az új típusú számítógépek, a kvantumgépek tervezésénél.

A kvantumszámítógépek egyik legnagyobb problémája ugyanis az, hogy a hibákat folytonosan korrigálni kell, márpedig a cél az lenne, hogy tökéletesen megbízhatóan lehessen információt közvetíteni az eszközökön. Egy váratlan kvantumugrás számítási hibát jelez, ha ezt előre lehet érzékelni, az nagy előnyt jelenthet. Minev, aki jelenleg az IBM kvantum részlegének kutatója, most egy előadásban avatott be minket a kvantumszámítógépek, azon belül is a kvantumchipek rejtelmeibe, amelyek egyszer majd hozzájárulhatnak ahhoz, hogy valóban működjenek a vizionált többezer (vagy millió) qubitos gépek. A kutató szerint egyelőre még nagyon az elején járunk a kvantumjelenségek számítástechnikai alkalmazásának, legelső lépésben érdemes lenne arra az alapvető kérdésre választ találni, hogy egyáltalán mi is az a qubit. Ahhoz, hogy a bonyolult kvantumvilágot jobban megértsük, összefogásra van szükség, nem csak a tudósok, hanem mindenki részéről, ez a kihívás pedig életre hívta az első olyan kvantumhardver tervező programot, amely nyílt forráskódú formában bárki számára hozzáférhető, így közös munkával születhetnek általa az innovációk.

Qiskit Metal is officially released. For more information read the blog where you can see how to design real quantum hardware with some data from our colleagues at Chalmers @qiskit https://t.co/ceGyGMg0y2

— Jay Gambetta (@jaygambetta) March 19, 2021

A Qiskit Metal lényegében egy könyvtára a különféle kvantumkomponenseknek, amelyeket a felhasználó kiválogathat, megtervezhet és személyre szabhat. A kész chipet ezután fel lehet használni akár arra, hogy szimulációkat futtassunk rajta, akár arra, hogy különböző formátumokban exportáljuk és legyártássuk. Mivel a hatalmas kriogenikus hűtőkben megbúvó kvantumchipek teljesen máshogy viselkednek, mint a klasszikus társaik, ezért a két világ közti átjárót segíthet felépíteni a program. Mikor az előadáson elhangzott a kérdés, miszerint mennyi az esélye, hogy a hagyományos szilícium alapú technológiával lehessen kvantumgépeket építeni, Minev elmondta: ugyan felhasználható a klasszikus komputerek technikája egyfajta kezdeti lépésnek, de a kvantumszámítógépek tervezése más hozzáállást igényel.

"Kvantumszámítógépet építeni olyan, mint az első felhőkarcolót megépíteni. Senki sem tudta, hogy kell csinálni. Házat már készítettünk korábban, de a felhőkarcolók építése egy teljesen más feladat."

A fizikust a Qiskit Metal megalkotásában saját élményei is motiválták, chipet tervezni ugyanis nagyon lassú folyamat, legalább négy hónapnyi munka és ha az ember elrontja, az igen költséges hiba. Az automatizált tervezéssel viszont egy kvantumchip létrehozásának ideje egészen a töredékére csökken, amint azt a program egyik nyilvános próbáján, a februárban Dél-Koreában megtartott Hackathonon is bizonyították a résztvevők. A két napos eseményen kevesebb, mint huszonnégy óra alatt sikerült az összes csapatnak két qubitos chipeket kreálnia, ami Minevnek még tanuló évei alatt hosszú hónapjaiban telt. A szoftver így beváltotta a hozzá fűzött reményeket, de a kutató azonban arra is felhívta a figyelmet, hogy ezek a néhány qubitos eszközök elsősorban a hardver tervezésének tanulását és tökéletesítését segítik, de nagyobb gépeket, ezer qubitos rendszereket, egyelőre nem lehet gyártani ezzel a módszerrel.

Az IBM ugyan nagyon ambiciózus célokat fogalmazott meg a jövőre való tekintettel, a cég szeretné jövőre elérni a 443, 2023-ra az 1121 qubitos kvantumszámítógép megalkotását (és már építik az egymillió qubitos gép hűtőberendezését), ami Minev szerint motiváló célkitűzés, de pár évvel ezelőtt még nem mondta volna biztosra, hogy ez ténylegesen megvalósítható lehet. Az elmúlt évek azonban nagy fejlődést hoztak és mára már egyáltalán nem elképzelhetetlen, hogy ezek az ideák manifesztálódhatnak. A Google is tervezi a maga kvantumszámítógépét, ők az évtized végére ígérik az egymillió qubitot, de a nagy célkitűzések alapos mérnöki munkát igényelnek, így nem csak a szoftverek fejlesztésén, hanem a hardver eszközök hiányosságainak korrigálásán is múlik a siker.

De hogyan is néz ki egy kvantumchip?

Az alaplemezen fémből készült elemek találhatóak, amelyek "úgy működnek, mint a mikrohullámú sütő a konyhában, vagyis oszcillálnak." - magyarázta Minev. Ezek az építőelemek azonban a rendkívüli alacsony hőmérsékleten a kvantummechanika szabályai szerint kezdenek működni, így az elektromágneses analizálás után valahogy át kell hidalni a klasszikus és a kvantumvilág közötti szakadékot, a folyamat során pedig gyakran keletkeznek nem várt hibák, amelyek újratervezést igényelnek. Itt lép színre az automatizálás és a közösségi összefogás jelentősége, amelyeknek segítségével a hosszadalmas folyamat kezelhetőbbé válik. A Qiskit Metal működését élőben is láthattuk, a kutató előttünk tervezett meg egy chipet, vagyis chiprendszert a programmal, amely így nézett ki:

A szoftver lehetőséget ad rá, hogy a komponensek dimenziót, méretét, frekvenciáját változtatni tudjuk, majd összekössük az elkészített elemeket egymással.

A Qiskittel tervezett chipek már nem csak szimuláción, hanem konkrét fizikai formában is megjelentek, a japán Tokiói Egyetemen például már használják az öt qubitos Tsurut, melyet az IBM tervezett nekik. Ha valakinek kedve támad elkészíteni az első, saját kvantumchipjét, de nem tudja, hogy hogyan kezdjen hozzá, az rengeteg (angol nyelvű) oktatóvideót talál a Qiskit videómegosztó csatornáján, valamint Minev és kollégái rendszeresen tartanak livestream előadásokat is Slack platformon, amelyhez bárki csatlakozhat.

(Fotó: GettyImages/vchal, Flickr/apionid, Rakéta, IBM)

További cikkek a témában:

Isten konzolja, a kvantumszámítógép A kvantumfizika már eddig is alaposan felforgatta az életünket, szinte az összes mai elektronikai eszközünk és berendezésünk erre épül és ma is egy kvantumforradalom küszöbén állunk, szám szerint ez lehet majd a második ilyen a történelemben, és korántsem az utolsó.
Az IBM megtanítja a számítógépeket "emberül" Az IBM olyan új technológia forgalmazását kezdte meg, mely megkönnyíti a számítógépek számára az emberi kommunikáció megértését.
A milliárd dolláros kérdés, avagy hogyan állapítsuk meg, hogy a kvantumszámítógépünk jól számol? A Google októberben jelentette be, hogy elérték a kvantumfölényt, azóta pedig a világ egy új korszak kezdetéről suttog. Azonban van egy kis probléma a kvantumszámítógépekkel: ha annyival okosabbak egy átlagos komputernél, hogyan lehet ellenőrizni, hogy valóban jól számolnak? A kutatók most már tudják a megoldást.