Kvantum frissítést kap egy viktoriánus számológép

Hosszú ideje ígérgetik, hogy a kvantumszámítógépek le fogják körözni a hagyományos hardvert, eddig azonban még olyat sem sikerült alkotni, ami akár egy zsebszámológéppel felvenné a versenyt.

Tavaly Scott Aaronson, az MIT részéről felvetett egy lehetőséget a probléma leküzdésére, méghozzá az idő kerekének visszaforgatásával. Aaronson a viktoriánus Anglia egyik prominens tudósa, Francis Galton találmányának, egy valószínűség számítással kapcsolatos kísérlethez kifejlesztett Galton-deszka kvantum változatának megépítésétől várja az áttörést.

Az eredeti kísérlet lényege, hogy egy egyenlő szárú háromszög alakú, függőleges vagy lejtős pálya felső csúcsáról legurítunk egy golyót, amely egy éknek ütközve vagy jobbra, vagy balra folytatja útját. A továbbguruló golyó újabb éknek ütközve ismét jobbra vagy balra tér ki, és így tovább, míg az utolsó ék után az egyik csatornába esik. A Galton-deszkát úgy alakították ki, hogy a golyók nagyobb valószínűséggel a középső, kisebb valószínűséggel a szélső csatornákba landoljanak. Megfelelő mennyiségű golyó alkalmazásával a háromszög aljában binomiális eloszlás, a statisztika egyik alapkoncepciója figyelhető meg.

A Galton-deszka egyáltalán nem nevezhető számítógépnek, de egyértelműen képes valamit kiszámolni. "Ha a digitális számítógépeket megelőző korban élnénk, ez egy rendkívül jó módja lenne a hasonló sémák megállapításának" - mondta Aaronson, aki szerint megalkotható a deszka kvantum megfelelője, ami a klasszikus helyett a kvantum törvényeket használva végezne el adott számításokat, gyorsabban a hagyományos számítástechnika által felvonultatott bármely más módszernél.

Az elmélet mostanra át került a gyakorlati megvalósítás mezsgyéjére, több csapat is a golyókat fotonokra cserélve elkészítette az eszközt, amit "bozon-válogatónak" nevezték el a fotonok családja után. Akárcsak a Galton-deszka, a bozon-válogató is számos csatornából áll, melyek összekötik az eszköz egyik végét a másikkal. A csatornák adott pontokon keresztezik egymást, lehetővé téve a fotonoknak az útvonaluk megváltoztatását. Amikor egy eszköz egyik végén fotonokat injektálnak be, akkor a másik végén a fentebb már leírtak szerint egy megjósolható eloszlás alakul ki, hasonló a binomiális eloszláshoz. A lényeg azonban az, hogy mozgásokat a kvantummechanika törvényei irányítják, biztosítva, hogy nem ugyanazt az eloszlást fogják produkálni, mint az eredeti változaton áteresztett makroszkopikus golyók.

Egy golyó az éknél 50%-50% valószínűséggel tér ki balra, illetve jobbra, azonban ha egy hálózaton belül két foton találkozik, akkor a kvantumhatások miatt mindkettőnek jobbra, vagy balra kell elmozdulnia. "Ez az a fizika, ami ezt a gépet kvantum módon működteti" - mondta Ian Walmsley, az Oxford Egyetem tudósa, az egyik gyakorlati eszközt megépítő csapat vezetője, hozzátéve, hogy amint a minták elég bonyolulttá válnak, ugyanazon eloszlás létrehozása nem kvantum módon sokkal több számítást igényel és jóval hosszabb ideig tart.


Eddig azonban egyik csapat sem küldött át háromnál több fotont a válogatókon, ami messze nem elegendő a hagyományos módszerrel szembeni teljesítménynövekedés bizonyításához. Ami miatt a kutatók mégis bizakodnak, hogy egy nagyobb eszköz megépítése sokkal könnyebbnek ígérkezik, mint a valódi kvantumszámítógépek felnagyítása. Amennyiben egy bozon-válogatót fel tudnak nagyítani, megkapják a klasszikus mechanizmusoknál gyorsabb számításokat végző kvantum mechanizmus első példáját. "Ez ténylegesen az a terület, ahol egy kvantumgép jelentősen felülmúlhat egy klasszikus gépet" - tette hozzá Walmsley.

Akárcsak a Galton-deszka, a bozon-válogatók sem számítógépek, mivel csak egy adott számítási típus elvégzésére alkalmasak. Egy igazi kvantumszámítógépnek - az alapelveket tekintve - bármilyen számítás elvégzésére alkalmasnak kell lennie. Elméletileg egy bozon-válogatóból is készíthető univerzális kvantumszámítógép, amennyiben további módszereket vezetnek be a fotonok manipulálására, ezt azonban rendkívül bonyolult megvalósítani, állítja Aaronson.