Hogy működik a kvantumszámítógép?

A Mesterséges Intelligencia fejlesztési trendjének jövőbeli meghatározója lesz ez a Qubit vagy más néven kvantumbit, de különösen az amerikai szakirodalom sokszor hivatkozik rá, csakúgy egyszerűen mint: qbit. Ennek a kvantumbitnek a lényege amikor bevezették az volt, hogy a számítógép a működési elvében is sokkal jobban tudjon illeszkedni az emberi agy neuronhálózatának modelljére. Alapvető emberi tulajdonság ugyanis, hogy döntéseink meghozatalához vezető úton egyszerre több mindenben is tudunk gondolkodni.

Információs egység a Qubit

A klasszikus bit és a qbit közötti különbség:

A klasszikus bit összesen két értéket vehet fel  0 vagy 1, mondhatjuk erre azt is, van valamilyen esemény vagy nincs esemény. Az áramkörök működésének alapja ez. Ezzel szemben a Qubit már kiszélesíti a lehetőségek palettáját, ugyanis a qbit nemcsak ezt a két értéket veheti fel, hanem képes ennek a két állapotnak az úgynevezett szuperpozícióját felvenni.

Szuperpozíció

A szuperpozíció jelentése eltér attól, amit az általános fizikai rendszereknél megszokhattunk. Itt most ezt a fogalmat a kvantummechanikához kell kapcsolni, tehát nem fizikai mennyiségekben gondolkodunk, hanem komplex állapotfüggvényekben, hullámfüggvényekben.

A kevert állapotról

A kvantumbitek kevert állapota az, amely lehetővé teszi a párhuzamos számításokat. Lényeges különbség tehát a Qubit és a klasszikus bitek világa között, hogy a klasszikus bitekkel párhuzamos számításokat nem tudunk végezni, a kvantumszámítógép a gyorsaságát többek között tehát ennek is köszönheti!

Két állapot szuperpozíciója: |Ψ⟩ = 𝛼|0⟩ + 𝛽|1⟩ = cos 𝜃 𝑒𝑖𝑖|0⟩ + sin 𝜃 |1⟩

Párhuzamos számítás például:

n bit esetén egy klasszikus számítógép egyszerre csak 1 n bites állapottal tud számolni, míg egy
kvantumszámítógép a 🔗 szuperpozíció miatt egyszerre 2 az n. hatványérték állapottal!

Abból kell kiindulnunk, hogy a hétköznapi ember is megértse, és mint a gondolati mennyiségek tárolási lehetőségére asszociálhasson a kvantumbit vonatkozásában, nézzük meg, hogy két qbit az hány állapotot vehet fel. Összesen négyet, azaz az értéke lehet 00, 01, 10, 11.

(a) A bit kvantumverziója, a qubit, a Bloch gömbön észak felé mutató nyíllal ábrázolható, amely a | 0⟩ állapotot képviseli, míg dél felé mutatva a | 1⟩ állapotot képviseli. A bittel ellentétben a qubit sokkal több állapotot is tartalmazhat, amelyek úgy tekinthetők, mint egy nyíl, amely a gömb bármely más irányába mutat. Ezek az új állapotok a | 1⟩ és 0⟩ állapotok kvantum-szuperpozíciói, megadva a kvantumszámítógép várható számítási teljesítményét;

(b) Egy qubit Hadamard-kapu, amely egy kezdeti qubit-en működik. Minden egyes művelet után az állapotok szuperpozícióját kapjuk, mindegyik tartalmazza az összes lehetséges állapotkombinációt.

A felvehető állapotok mennyisége

Annál nagyobb lesz a felvehető gondolatok (állapotok) száma, minél több qbitet kapcsolunk össze, ahol a 2 lesz a hatvány alapja, az összekapcsolt kvantumbitek száma pedig a hatványkitevő. Így aztán könnyen eltudjuk képzelni, hogy például egy 72 qubit értékű kvantumszámítógép az hány állapotot fog tudni felvenni egyszerre. Már az 50 Qubit -es kvantumszámítógép esetében is 2^50 értéket jelent, ami már szintén egy elég nagy szám, de még tudom ábrázolni és a több számjegyek kijelzésére képes számológépek is:

1 125 899 906 842 624 Ezzel szemben a 2^72 érték már olyan nagyságrend amit csak ebben az alakban tudok ábrázolni: 4,722 366 482 869 645e+21

Mivel több állapot felvétele történik egyszerre (Qubit), így a kvantumszámítógép a számításokat egymással párhuzamosan hajtja végre. Ezért az ilyen jellegű programozáshoz speciális módszer szükséges.

A kvantumszámítógép a számolásokat kvantumalgoritmusok segítségével végzi. A kvantumalgoritmusok egy és két kvantumbites műveletekből építhetők fel. Ezeket az elemi műveleteket valamint a műveleteket megvalósító fizikai eszközöket is kvantum logikai kapuknak nevezzük. A kvantumszámítógép ezen kvantum logikai kapuk összessége. A kapuk meghatározott Qubit mennyiségen hajtanak végre változtatásokat, ami az egész összefonódott állapot megváltozását eredményezi.

Hogyan olvashatjuk ki az eredményeket?

Méréskor a hullámfüggvény beugrik egy adott 𝜙𝑖 sajátállapotba, 𝑐𝑖^2 valószínűséggel (hullámfüggvény „összeomlása”). A megoldás, hogy több mérést végzünk, tehát többször végezzük el a számolási műveletet, amely ugyan időveszteségnek számít a hagyományos számítógép működés elvével szemben, de a kvantumszámítógép még így is rengeteg időt nyer. Speciális algoritmusokat dolgozunk ki, melyek kvantumosak, de eredményük egy jól meghatározott sajátállapot (l. Deutsch algoritmus).

Egyelőre ilyen számítógépeket a Google és a Nasa berkeiben találhatunk. Ugyanakkor a tudósok még kutatják annak lehetőségét, hogy milyen formában is alkalmazhassuk a jövőben a hétköznapi életünkben.  A kvantumszámítógép ugyanis kvantummechanikai jelenségeket használ, mint amilyen az előbb ismertetett szuperpozíció, s kvantum-összefonódást vizsgál. Utóbbi az a jelenség, amikor két objektum állapota között, valamilyen értelemben összefüggés van. Itt az összefüggés alatt értsük azt, hogy az összefonódás fennállhat egymástól távol eső objektumok között is.

Összefonódott állapotok (több Qbit egyszerre): nélkülözhetetlenek bizonyos 2 qubites kapuk működéséhez és a kvantumteleportációhoz.