Készül a kínai kvantumforradalom

Pan Csian-vej, a kínai tudósok legújabb generációjának egyik iskolapéldája a Heifeiben működő Kínai Tudományos és Műszaki Egyetemen (USTC) berendezett laboratóriumában egy álom valóra váltásán dolgozik.

Az Egyetem kutatási részlegén hatalmas a nyüzsgés. Az egyik irodában - ahol vágni lehet a cigarettafüstöt - fiatal professzorok vitatják meg legfrissebb kísérleteiket, míg a mellette levő teremben az egyetem hallgatói sürgölődnek egy hatalmas optikai pult körül lézereket, lencséket és detektorokat állítgatva. Ha minden a tervek szerint zajlik, itt fog megépülni az első említésre méltó kvantum számítógép.

Heifei bizonyos értelemben méltatlan szülőhely egy ilyen forradalmi eszköznek, hiszen egy csendes délkelet-kínai városról van szó, több órányi utazásra a technikai fellegváraktól, Sanghajtól és Guangzutól. A város nemrég még tradicionális tofu ételeiről és a szezámos süteményeiről volt ismert, nem tudományos csúcsteljesítményeiről. Pan és munkatársai azonban olyan eredményeket érnek el szinte hétről hétre, hogy már nem csupán Kínában, de a kvantum számítástechnika világtérképén is nagybetűvel jegyzik a helyet.

A müncheni Műszaki Egyetem 5 bites kvantumszámítógépe

Ha sikerülne megszerkeszteni egy működő kvantum számítógépet, az könnyedén elhomályosíthatja a mai leggyorsabb szuperszámítógépek erejét is. Ennek fényében nem csoda, hogy világszerte számos csoport igyekszik megalkotni egy ilyen csodát. Az osztrák és német egyetemeken edződött Pan megközelítése azonban különbözik a többiekétől, és pont ez teszi különösen ígéretessé a kínai próbálkozást. Csapatával ugyanis egy kvantum memóriát kombinálnak egy új architektúrával, az úgynevezett klaszter-állapotokkal, ami elméletük szerint felnagyítható annyira, hogy hasznos számításokat végezzen sokkal megbízhatóbban és könnyebben, mint az eddig felvázolt sémák bármelyike. A versengés óriási, számos nagy név szállt ringbe, Pan korábbi munkatársai azonban nem szívesen fogadnának ellene. "Csoportja egyike a világ vezetőinek a fejlődő kvantum technológiában" - mondta Caslav Brukner a Bécsi Egyetem fizikusa.

Mint elv, a kvantum számítástechnika az 1980-as évek elejétől létezik. A kvantum mechanika különös tulajdonságainak szolgálatba állításával olyan feladatokat lehetne elvégezni, amire a klasszikus számítógépek belátható idő alatt képtelenek. A kvantum számítógép ereje abból a tényből következik, hogy egy kvantumrészecske többféle állapotban is képes létezni egyszerre, tehát egy hagyományos adatbittel ellentétben - ami 0 vagy 1 lehet - egy kvantumbit (röviden qubit) egyidejűleg is elfoglalhatja a 0 és 1 értéket (szuperpozíció), tehát egy kvantumbájt sem csupán egyetlen szám lehet 0 és 255 között. Ennek megfelelően a kvantumbitekkel és -bájtokkal sokkal több művelet hajtható végre, mint hagyományos társaikkal.

Az egész azonban sokkal érdekesebbé válik, ha hozzáadunk egy kvantumjelenséget, az oly sokat emlegetett kvantum összefonódást, ami képes összekötni több qubit tulajdonságait. A kvantum összefonódást főként a teleportálással kapcsolatban emlegetik, mivel két objektum kvantumállapota közötti összefüggésről van szó, melyek térben akár egészen távol is eshetnek egymástól. Mindössze pár száz összefonódással megspékelt qubittel elvileg több számot lehetne kifejezni, mint amennyi atom található a világegyetemben - legalábbis ez az elmélet. A valóság ennél ma még jóval távolabb esik, a kvantum számítógépek matematikai képességei hagynak még némi kívánnivalót maguk után.

Pan Csian-vej

Pan 1994-ben az osztrák Innsbruck Egyetemen ismerkedett meg a kvantum számítástechnika gyakorlati oldalával Anton Zeilinger végzős hallgatójaként. Akkoriban Kínában semmiféle kísérleti kvantumkutatás nem zajlott. Nem sokkal Innsbruckba érkezte után eltökélte, hogy egy ugyanolyan laboratóriumot fog felállítani Kínában, mint amit Zeilinger kiépített az egyetemen. Ennek érdekében első lépésként hazája tudósaival kezdett kapcsolatépítésbe. 1997-től évente egyszer hazalátogatott előadásokat tartani, melyek során több egyetemmel is kapcsolatba került, köztük jelenlegi munkahelyével, az USTC-vel.

2001-ben három Nature publikációval a zsebében elnyert egy 250 000 dolláros támogatást a Kínai Tudományos Akadémiától a kínai kvantum információs kutatások beindítására. 2003-ra már két laboratóriummal is rendelkezett, az egyiket a német Heidelberg Egyetemen, a másikat a KTME területén alakította ki, mindkét helyen nagyjából azonos időt töltött. Pan az idén települt véglegesen haza, számos tudóstársát követve.

A kínai kormány minden eszközt megragad külföldön tanuló és dolgozó tudósaik hazacsábítására, hogy ne csak gazdasága, de a nemzet tudományos és műszaki képességei is rohamos fejlődésen essenek át. Az elmúlt években olyan nevek költöztek vissza Kínába, mint a Turing-díjas kriptográfiai és kommunikációs specialista Andrew Yao, és a fizikai Nobel-díjas Chen Ning Yang, aki már a nyolcvanas éveiben jár. Tíz éve egy ilyen lépés még teljesen elképzelhetetlen lett volna részükről, mára azonban Kína adottságai rengeteget változtak.

Az utóbbi években több mint ezer, szakterületén elismert kutató tért vissza hazájába, az elmúlt 10 évet tekintve 20 000 feletti tudományos területen dolgozó kínait csábítottak vissza Európából és az USA-ból több mint 100 jelentős anyagiakkal rendelkező csatornán. A hazatérők európai vagy amerikai fizetésük felét, legfeljebb kétharmadát keresik meg Kínában, az ottani életvitel költségei azonban annyival olcsóbbak a nyugatiénál, hogy így is bőven megéri nekik a kínai tartózkodás.

Időközben világszerte több csoport - beleértve Zeilingerét is - kezdte hajszolni a kvantum számítástechnika különböző megközelítéseinek megvalósítását fotonok, csapdába ejtett ionok, szupravezetők, vagy éppen kvantum pöttyök qubitekkénti alkalmazásával. Pan a fotonok alkalmazását tartja a követendő útnak, ami nem csoda, mivel kvantum kommunikációs kutatásaiban rengeteg tudást gyűjtött össze róluk. Minden megközelítésnek megvan a maga érdeme, azonban van egy probléma, amivel mindegyiknek szembe kell néznie. A kvantumszámításokhoz elengedhetetlen összefonódási állapot rendkívül törékeny. A qubitek manipulálásának legnehezebb része az összefonódás fenntartása és a számítások menetének megfelelően újabbak létrehozása.

A probléma egyik megoldása a klaszter-állapot lehet. Ahelyett, hogy többszörös műveleteket hajtanának végre egy adott qubit sorozaton, a számítás minden egyes lépése saját qubit sorozattal rendelkezne. Ennek az az előnye, hogy nem kell módosítgatni az összefonódásokat a számítás során, jelentősen növelve a fenntarthatóságot. Az összefonódást már induláskor elkészítik, majd magára hagyják. Így ha egy számítás például öt műveletből áll, akkor egy adott négy qubitből álló sorozatnak nem kell szekvenciálisan a műveletek sorrendjében változtatnia az összefonódásokat.

Ehelyett a műveleteknek megfelelően már a számítások megkezdése előtt létrehoznak egy 5x4-es rácsot, melyben a sorok összefonódása a számítás lépéseit, az oszlopoké a qubitek közötti műveleteket testesíti meg. Sajnos azonban ennek a technikának is akadnak hátulütői. Sokkal több qubitre van szükség egy számításhoz, az összefonódásoknak pedig elvileg jóval hosszabb ideig fenn kell maradniuk, mint más technikák alkalmazásánál.


Pan és csapata jelenleg a fenti problémák áthidalásán dolgozik. Májusban már beszámoltak az első négy-qubites klaszter-állapotról, amit mindössze két foton felhasználásával értek el. Ez már biztató kezdet volt, a többi csoportnak ugyanezt jóval több foton vagy atom felhasználásával sikerült csak elérnie, melyek kezelése nagy számoknál már elég problémássá válhat, sőt Pan módszere úgy tűnik sokkal megbízhatóbb a klaszter-állapotok előállítására. Az egész felnagyítása azonban hatalmas technikai kihívást jelent, mivel rengeteg fotont kell nyomon követni.

Itt jön be a képbe a kvantum memória, amivel tárolhatók a fotonokból alkotott qubitek. Pan kvantum kommunikációs munkáiból már jól tudta, hogyan nyeli el egy lehűtött atomokból álló elszigetelt csoport a hozzájuk ütődő fotonok kvantum állapotait. Az atomok együttesen tárolják ezt az állapotot néhány mikroszekundumig, majd átadják egy másik fotonnak, egy kvantum átjátszót eredményezve. Az átjátszó elsősorban kiszélesíti a kvantumkommunikációt, összességében viszont a kvantuminformáció-feldolgozás bármely területén hasznos lehet.

Júniusban Pan csapata a kvantum memória egy olyan változatáról számolt be, amivel elvileg egész egyszerűen létrehozhatják az összefonódásokat egy qubit-hálózatban. Ezt persze nem egyik napról a másikra fogják elérni: Pan szerint több mint 10 évbe telhet mire használható eredményeket érnek el.