Hirben.hu Hírben jók vagyunk! Nem gondolnánk, de még a legnagyobb hagyományos (digitális) szuperszámítógépek sem tudnak hatásosan megbirkózni olyan egyszerűnek látszó problémákkal, mint, mondjuk, egy repülőgép-menetrend, vagy egy nagyváros forgalmának optimalizálása (hacsak nem várunk akár évtizedeket is, hogy lefusson a program). Betegségek átfogó molekuláris leírása vagy új gyógyszerek kimerítő tesztelése is gyakorlatilag kivitelezhetetlen, olyan gyorsan nő (exponenciálisan) a memóriaigény. Ezért mint egy falat kenyeret, úgy várják már a csodamasinákat.
Európában kiváltképp a franciák és a finnek vetették be magukat Alice csodaországába, a merőben különös mikrouniverzumba, ahol bármi megtörténhet. A világszerte is jelentős finn IQM februárban bejelentette, hogy ők lesznek az első tőzsdén jegyzett európai kvantumvállalat. Egy másik feltörekvő kvantumcég, a párizsi Alice & Bob elmondása szerint már egészen közel járnak a minden tekintetben működőképes, stabil kvantumcomputerhez. Ami ha elkészül, akkor végre gyökeresen új alapokra helyezheti az orvostudományt és a gyógyítást.
Egy új gyógyszer kifejlesztésekor ugyanis olyan irdatlan mennyiségű lehetőséget kell számba venni, amit hagyományos számítógépekkel képtelenség belátható időn belül kiszámolni.
Ezért manapság – jobb híján – a gyógyszereket nagyrészt próbálkozásokkal és hibák keresésével, kiszűrésével kutatják. Például a rák, a Parkinson-kór vagy az Alzheimer-kór is – nem kis részben – azért gyógyíthatatlanok még, mert teljes megértésük (modellezésük) túlmutat a digitális számítógépek hatókörén. De nem a kvantumszámítógépekén, amelyekkel (emberi időn belül) lehetővé válik alaposan és átfogóan (minden eshetőséget figyelembe véve) szimulálni, hogyan reagálnak egymással a különböző molekulák, így megtudható, mi működik, mi nem, és milyen mellékhatásokkal jár. Ezek a kilátások pedig igencsak kecsegtetőek.
Qubit, a megpörgetett pénzérme
Röviden úgy lehetne megfogalmazni a különbséget, hogy amíg a digitális számítógép bizonyos problémáknál egymás után kiszámol minden lehetséges megoldást, addig a kvantumszámítógép kvantumállapotokkal dolgozik, amelyekben sok lehetőség egyszerre van jelen. Közülük a rosszakat „kioltja”, a helyes válaszokat „felerősíti”. Ezért bizonyos feladatokat sokkal gyorsabban tud megoldani, mint a hagyományos számítógép (lásd még a keretes írást).
Bitek és qubitek
A digitális forradalom számítógépei mikrochipekbe integrált tranzisztorok tízmilliárdjain alapulnak, és 0-kal és 1-esekkel (bitekkel) működnek logikai kapukon keresztül (ÉS, VAGY, NEM stb.). A digitális állapotokat a feszültség két tartománya reprezentálja: a közel nulla (0) és a magasabb feszültség (1).
Ezzel szemben a kvantumszámítógép qubitekkel (quantumbitekkel) dolgozik, amelyek a 0 és 1 állapotok szuperpozíciójában is lehetnek. Ez azt jelenti, hogy nem konkrét bitekkel, hanem komplex valószínűségi amplitúdókkal leírt kvantumállapotokkal számol. Az algoritmusok ezeket az amplitúdókat úgy alakítják, hogy interferencia révén a helyes megoldás valószínűsége felerősödjön, a hibásaké pedig lecsökkenjen.
Nem annyira világos? Ne csüggedjen!
Egy mai számítógépnek csillagászati számú változón kellene átverekednie magát, hogy egy molekula vagy atom minden rezdülését nyomon kövesse.
Például egy összetett molekula szimulációja több memóriabitet igényelhet, mint ahány atom van a Földön.
A különbséget (jócskán leegyszerűsítve) egy pénzérmével lehet szemléltetni. A klasszikus bit, fej vagy írás az asztalon. Míg a qubit egy szuperpozíciós állapot, egy pörgő érme, amelynek állapota csak „méréskor”, a megállás pillanatában válik egy konkrét értékké.
A hagyományos számítógép olyan, mint egy rohanó ember, aki becsületesen végiglépdel minden utat egymás után. A kvantumszámítógép vele szemben egyetlen (összefonódott) kvantumállapotban tartja számon a lehetséges útvonalakat (egy valószínűségi amplitúdóhullámban), és úgy programozzák, hogy interferencia révén a helytelen megoldások amplitúdói kioltsák egymást, míg a helyes megoldásé felerősödjön.
Nem klasszikus módon, egyenként végigpróbálva (didaktikusan, erőből) számol, hanem hullámeloszlásokkal, kvantumintelligensen.
Ettől lehet jelentősen (exponenciálisan) gyorsabb bizonyos feladatokban.
Bosszantóan belerongyoltak az idillbe
Nem igazán érthető? Nem eméssze magát, mert a kvantumvilágot felfedező tudósok is így voltak vele. A történet a boldog békeidőkben kezdődött, a 19. század végén, amikor a fizikusok elégedetten kezdtek hátradőlni, mondván, nagyrészt mindent felfedeztek, mindent értenek a fizikai világból, már csak egy-két apró lyukacska van, amit be kell tömni. Nem lelkesítette a fiatal német fizikushallgatót, Max Planckot sem professzora: „A fizika lényegében befejezett tudomány, már csak néhány felhő van az égen.” Ilyen volt a fekete testek sugárzása, amit nem tudtak még koherensen megmagyarázni, ezért Planck nekilátott, hogy kifaragja és behelyezze az egyik utolsó hiányzó követ a fizika grandiózusan büszke épületébe.
Amit azonban talált, szétrobbantotta az egész addigi világot. Akárhogy is vizsgálta, az eredmény mindig ugyanaz volt: az energia nem folytonosan, hanem meghatározott adagokban távozik a fekete testekből, az energiaadag nagysága pedig a test hőmérsékletétől (frekvenciájától) függ. A darabosságot elnevezte kvantumnak (a latin quantus: amekkora szóból), de közben
Erős ellenérzései voltak, mert amire rájött, szembement a klasszikus józan ésszel.
Saját szavaival „kétségbeesett lépést” tett, és a sugárzást már helyesen leíró új képletébe kénytelen volt beletenni egy „matematikai trükköt”. Ami – reményei szerint – hamarosan klasszikusan is levezethető lesz, és ki lehet majd iktatni.
Eldurvultak az események
Kvantumokkal kapcsolatos elméleti magyarázatát 1900 decemberében tárta a fizikusok elé, erőteljesen berúgva a duplaszárnyú ajtót a 20. századba. Bejelentése a tudománytörténet egyik mérföldkövének számít, bár egyáltalán nem volt szándékában ilyen hőstettet véghezvinni. Sőt.
Maga Planck azt mondta, hogy bár felfedezte a kvantumokat és elindította a kvantumfizikát, először ő maga sem értette azt (ettől függetlenül 1918-ban Nobel-díjat kapott).
Aztán jött Albert Einstein, akinek sikerült megmagyaráznia a klasszikus fizika másik zavaró hiányosságát, a fotoelektromos effektust (ha fényt bocsátunk egy fém felületre, elektronok léphetnek ki belőle). Einstein 1905-ben levezette, hogy
a fény nem csak hullám (ahogy azt addig gondolták), hanem részecskékből (fotonokból) is áll. Részecske és hullám is, egyszerre.
Forradalmi felfedezés volt, nem kellett semmiféle „trükk”, a fotonokkal valódi fizikai jelentést adott a kvantumoknak és ezzel a „kis problémák” felrobbantották a fizikai valóság logikusnak hitt statikus világát. (Albert Einstein ezért a felismerésért kapta 1921-ben a Nobel-díjat, és nem a relativitáselméletért.)
Innentől felgyorsultak az események. Niels Bohr dán fizikus előállt egy új atommodellel, amelyben az elektronok csak meghatározott pályákon (energiaszinteken) keringhetnek az atommag körül (amiért 1922-ben fizikai Nobel-díjat kapott). Aztán kiderült, hogy
a kvantumvilágban a részecskék nem pontszerű „golyók” klasszikus értelemben, hanem kvantumállapotok, amelyeket egy hullámfüggvény ír le.
Ez a hullámfüggvény a részecske lehetséges helyeinek valószínűségi eloszlását adja meg, így a helyzetük csak valószínűségekkel írható le.
A német Werner Heisenberg tovább fokozta az idegtépő értetlenséget, amikor kimondta a határozatlansági relációt: ha pontosan tudjuk (megmérjük) a részecskék helyét, akkor nem tudhatjuk meg a sebességét, és fordítva. Nem technikai pontatlanság, mérési hiba miatt,
hanem mert a bizonytalanság a természet alapvető tulajdonsága (Nobel-díj 1932-ben).
Nem kerülhették el Hitlert
Werner Heisenberg nem csak a kvantumfizika egyik atyja, de Hitler atombombaprogramjának vezető tudósa is volt. Sok történész szerint szándékosan húzta az időt, ezért sikerült először Oppenheimeréknek atombombát készíteniük az USA-ban. De létezik olyan teória is, hogy tévedett, nem értette pontosan az atombombához szükséges kritikus tömeget, rosszul […]
A teljes cikk megtekintéséhez és tovább olvasásához KATTINTSON IDE!
*Tisztelt Olvasó! Amennyiben a cikk tartalma módosult vagy sértő elemeket tartalmaz, kérjük jelezze számunkra info@net-front.hu e-mail címen!