Az informatika meghódítja a kvantumvilágot

A jövő számítógépei teljesen új alapokra épülnek majd © sxc.hu

Miközben számítógépeink kapacitása 18 havonta duplázódik, a legtöbben nem vagyunk vele tisztában, hogy ezek a gépek a bináris számrendszer és a lineáris működés kettős szorításában vergődnek, s számos problémánk megoldására alkalmatlanok. A választ a megoldhatatlan problémákra a merész gondolkodású fizikusok víziója, a teljesen más elven működő kvantumszámítógép kínálhatja.

Első pillantásra a számítógépek végső teljesítménye mérnöki kérdésnek tűnik. Mennyi energiát közölhetünk egy chippel anélkül, hogy az elolvadna? Milyen gyorsan száguldhatnak a bitek? Meddig növelhető a számítógép mérete úgy, hogy még beférjen a szobába? Hogyan csökkenthető az egyre nagyobb teljesítményű processzorok hőleadása?

A számítógép tervezés nem egyszerűen annak a tudománya, hogyan lehet a legjobb masinát építeni. Mindezzel először az 1930-as években szembesült a tudóstársadalom, amikor a Princeton egyetem két kutatója Alonzo Church és Alan Turing bebizonyította, hogy bármilyen biteket és bájtokat használó művelet elvégzésére képes egy gép, amelyet Turing-gépnek neveztek el feltalálója után. Az "elméleti"  Turing-gép elvén működő klasszikus számológépek mind nagyon hasonlóak, s ez lehetővé tette az elméleti szakembereknek – különösen a matematikusoknak –, hogy a gépek architektúrájának alaposabb ismerete nélkül következtethessenek a gépek alapvető működési elveire.

Így számítástechnika teoretikusai már kategorizálni tudták a számítási feladatokkal kapcsolatos problémákat. Ezen kategóriákban a  könnyen megoldható számításokat például egy lista ABC-sorrendbe rendezését P-vel jelölték. NP jelöli azokat a problémákat, amelyek megoldása ugyan komoly fejtörést okoz, viszont könnyen ellenőrizhető, ha egyszer megvan a helyes megoldás.

Ilyen az úgynevezett „útvonal-tervezési feladat”, az utazó ügynök legrövidebb útvonala, amelyet követve felkeresheti az aznapra tervezett ügyfeleit. Minden megoldást kínáló algoritmus komoly számítási kapacitást emészt fel, és még a viszonylag szerény megoldásváltozatok is felülmúlják a klasszikus számítógépek számolókapacitását.

Matematikusok bebizonyították, hogy ha valamely ilyen nehéz NP-típusú probléma megoldását megtalálnánk egy rövidebb és egyszerűbb műveletsoron keresztül, ezzel egyszersmind valamennyi ilyen probléma kulcsához jutnánk hozzá. Ezáltal az eddig NP besorolású problémák P típusúvá változnának. Kétséges azonban, hogy létezik-e olyan rövidebb számítási út, amelynek eredménye P = NP. Számos tudós szerint nincs ilyen út, ennek bizonyítása a matematika egyik megválaszolatlan és ettől izgalmas kérdése.

Turing-gép

Alan Turing 1936-ban olyan elméleti számítógépet alkotott, amely precízen definiálja az  algoritmus, avagy a mechanikus számítás fogalmát. Ez a számításelmélet azóta is széles körben használt a számítógép tudomány művelői körében. Ez az elvi gép azon az elgondoláson alapszik, hogy végtelen számú rendezett papírlap tartalmának megváltoztatására vonatkozó utasítások csak véges szimbólumkészlet használatát engedik.

A negyvenes évek lején a Bell Laboratories kutatója, Claude Shannon – a Shannon-Weaver kommunikációs modell kidolgozója – bebizonyította hogy a bitek nem csak az informatikában használhatóak jól, hanem az információtovábbítás alapjait képezve, bármely két hely közti adatátvitel leírására is lehetőséget adnak. A fizikai törvények szabnak ugyanis határt annak, milyen gyorsan képes egy bitnyi információ A pontból B pontba jutni, mennyi adat átvitelére képes egy adott kommunikációs csatorna, és mennyi energiát igényel egy bit kitörlése a memóriából. Minden klasszikus adatátviteli eszköz ezeken az elveken alapszik. Eszerint az agyunkban ide-oda száguldó információk cseréje is bájtok és bitek mozgására redukálható? Valójában mi is számítógépek vagyunk? Meglehetősen nyugtalanító felvetés.

A klasszikus számítástechnikán túlhaladva a kvantumok birodalmába jutunk. A kvantumelmélet határozatlansági alaptörvénye szerint az atomok és más kvantumrészecskék képesek az információtárolás bináris lehetőségein túl - amely egyesekbe és nullákba kódol - egyszerre 0 és 1 értékű állapotra is.

Számos fizikus kísérletezik olyan egyszerű kvantumszámítógépek megalkotásával, amelyek kihasználják ezt a kvantumelméleti adottságot, és olyan feladatok elvégzését teszik lehetővé, amelyekre a hagyományos számítógépek nem képesek, például egy adatbázisban kevés paraméter alapján meglelni egy adott bejegyzést. A tudósok továbbra is keresik a választ arra, milyen kvantummechanikai tulajdonságok teszik lehetővé a kvantumszámítógépek nagyságrendekkel gyorsabb működését. Szeretnének megalkotni  egy olyan kvantumszámítógépet, amely elég nagy ahhoz, hogy valami hasznosra is alkalmazható legyen.

A kvantumvilág logikájának megismerése révén és annak számítástechnikai alkalmazhatósága által, a tudósok mind mélyebbre merülnek az atomokat alkotó részecskevilág törvényszerűségeibe. Meglehet, hogy a számítástechnikai hatékonyság meglehetősen "evilági" hajszolása a kvantumok birodalmának nem várt megértéséhez is elvezet.

Science