Elkészült az első programozható kvantumprocesszor

Az utóbbi években egyre több helyen bukkannak fel hírek a kvantumszámítógépekről, kvantumprocesszorokról. Ezek az eszközök a kvantummechanika jelenségeit használják fel a számítások elvégzéséhez, illetve kvantumtulajdonságokat alkalmaznak az adatok tárolására. A terület iránti érdeklődést és a kutatási tevékenységet leginkább az táplálja, hogy kvantumszámítógépek segítéségével villámgyorsan lehetne olyan problémákat megoldani, amelyek a mai legnagyobb teljesítményű szuperszámítógépeknek is hosszú időt venne igénybe.

A kvantumszámítógépekben az adat alapegysége a kvantumbit (qubit), aminek az értéke egyszerre lehet 0 és 1, mivel a kvantumfizika szabályai szerint a részecskéknek két állapotuk van, de egyszerre akár mindkettőt is felvehetik, ezt hívják szuperpozíciónak. A NIST fizikusai által alkotott kvantumprocesszor 2 qubites, ami azt jelenti, hogy 2 bit összes állapotán képes egyszerre műveleteket végrehajtani. Hagyományos 2 bites számítógép használatával négyszer egymás után kellene végrehajtani ugyanazt a műveletet, hogy megkapjuk azokat az eredményeket, amelyet a kvantumgép egy lépésben.

A demonstrált kvantumprocesszorban berilliumionok szolgálnak a qubitek tárolására, ezeket ultraibolya lézerek tartják \"fogságban\", illetve ezek segítségével történik a műveletek végrehajtása is. A NIST kutatói, élükön David Hanneke fizikussal a világon elsőként építettek olyan kvantumprocesszort, amely szabadon programozható, azaz nem csak előre megadott műveleteket tud végrehajtani, hanem bármilyen két qubites programot.

\"Ez az első alkalom, hogy egynél több qubites programozható kvantumprocesszort mutat be valaki\" - mondta Hanneke. \"Ez egy jelentős lépés abba az irányba, hogy több qubites számításokat tudjunk végrehajtani. Az elmélet egyszerű, fogni kell több ilyen processzort és összekapcsolni őket.\" A kutatók 160 különféle programot futtattak a kvantumprocesszoron, amelyeket véletlenszerűen választottak ki. A programok nem matematikai számításokat hajtottak végre, hanem a qubitekkel végeztek műveleteket, például forgatást vagy kvantum-összefonódást.

A programok átlagos futási ideje 37 ezredmásodperc volt, minden programot 900-szor futtattak le, az esetek 79 százalékában helyes eredmények születtek, vagyis a kvantumprocesszor által adott eredmény megegyezett az elméleti számítások eredményével. Hanneke és csapata szerint a jövőben az egyik legfontosabb kutatási irány az lesz, hogy a kvantumprocesszor pontosságát, megbízhatóságát javítsák.

A kvantumszámítógépek legígéretesebb felhasználási területe a nem determinisztikus polinomiális  teljes (NP-teljes) problémák megoldása lehet. Az NP-teljes problémák esetében előre nem tudható, mennyi idő kell a megoldás megkereséséhez, illetve nem lehet tudni azt sem, hogy a kapott eredmények ellenőrzéséhez mennyi időre van szükség (még csak közelíteni sem lehet polinomiális lépésszámmal). Az NP-teljes problémák számítása ezért hagyományos gépekkel rendkívül sokáig tart, ugyanis a számtalan variációt egyenként ki kell számítani, majd ellenőrizni. A kvantumgépek azonban párhuzamosan képesek lennének kiszámítani akár az összes lehetséges megoldást.