13.3. Fizikai megvalósítások

A kvantumalgoritmusok megvalósításához többféle módszer is ismert, ezek alapján többféle kvantumszámítógép implementáció közül választhatunk. Ebben a részben ezek közül sorolunk fel párat.

Az elektromágneses csapdában tartott részecskék segítségével megvalósuló implementációk közé az ioncsapdás, az atomcsapdás, illetve az elektroncsapdás kvantumszámítógépek tartoznak (itt a csapdában levő részecske állapotai alapján definiálhatjuk a kubiteket).

A szilárdtest kubiteket ún. kvantumpontokkal állíthatunk elő. Ez a technológia félvezetők energiasávjait és az alagút effektust használja ki.

A szupravezető technológia ugyancsak jó lehetőségeket ad kubitek létrehozására, pl. a Cooper-párok révén, vagy a mágneses fluxus révén. Ide sorolható pl. az ún. adiabatikus kvantumszámítógép, amit mindjárt kicsit részletesebben is kifejtünk.

A nukleáris spineket folyadékokban vagy szilíciumban is használják, a folyadékos, ún. NMR gépet kicsit részletesebben leírjuk.

A fotonokról már eddig is sok szó esett, így kézenfekvő az optikai megvalósítás, erre is visszatérünk a fejezet hátralevő részében.

13.3.1. Adiabatikus kvantumszámítógép és a D-Wave

Az adiabatikus kvantumszámítógép (a quantum annealing jelenségen alapuló) olyan lassú és folytonos transzformációkkal dolgozik, amik a rendszer kezdeti Hamilton függvényét átviszik a végső Hamilton függvénybe, amely alapállapota tartalmazza a megoldást. Ezek a szerkezetek a kvantummechanikai alagúteffektust kihasználva képesek klasszikusan meg nem engedett átmenetek végrehajtására. Eredetileg diszkrét értékű függvények globális optimumának megtalálására fejlesztették ki ezt a technológiát.

A D-Wave kanadai cég pedig olyan programozható, szupravezető fluxus kubitekkel rendelkező gépeket készít, amelyek nemcsak speciális adiabatikus kvantum optimalizációs algoritmusok futtatására képes, de univerzális kvantumszámítógépként is üzemel. 2013-ban már több óriáscégnek (pl. Google, Lockheed Martin) is szállított az ezen az elven működő számítógépeiből, amik 512-kubitesek. Az igazi technológiai részletek nem ismertek (bár a cég honlapján sokféle anyag megtalálható), így nem igazán lehet tudni, hogy valódi kvantumszámítógépről, vagy csak egyes kvantumjelenségeket kihasználni tudó gépről van szó.

13.6. ábra - 128 kubites D-Wave chip. (A fotó a D-Wave Systems Inc. engedélyével/Courtesy of D-Wave Systems Inc.)

128 kubites D-Wave chip. (A fotó a D-Wave Systems Inc. engedélyével/Courtesy of D-Wave Systems Inc.)

A 13.6. ábrán a cég 2010-ben bemutatott 128-kubites chipje látható.

13.3.2. Az NMR kvantumszámítógép

A kvantumszámítógépek egy lehetséges megvalósítása a már korábban is említett NMR kvantumszámítógép (Nuclear Magnetic Resonance Quantum Computers). Ez a mágneses rezonancián, illetve azon a tényen alapul, hogy a rezonancia egy nagyon éles frekvenciaértéknél következik be (éles a rezonancia-csúcs).

Lehetőség van speciális molekulák tervezésére a számítás vagy az algoritmus részére a gyógyszerkészítés és a kvantumkémia eszközeit felhasználva.

Egy NMR minta általában mágnesesen inaktív oldószerben mágnesesen aktív oldott anyagot tartalmaz. Az oldószer nagyon fontos, mivel megszünteti a molekulák közötti kölcsönhatásokat, amik befolyásolhatnák a számítást. Egy normál NMR mérésnél használt molekulának tartalmaznia kell számos protont, melyek mindegyike mágnesesen aktív. Az NMR szíve egy szupravezető mágnes, ami homogén mágneses teret kelt egy kis, pl. 1 cm -es régióban. Helmholtz tekercsekkel kis, ingadozó mágneses tér kelthető a homogén háttérmezőre merőleges irányokban, ami a dipólusokat kapcsolgathatja a és az kvantumállapotok között. Ezek a terek nagyon gyorsan tudnak pulzálni, de a homogenitásukat nagyon nehéz biztosítani, mivel sokkal kisebbek, mint a szupravezető tekercsek, amik a háttér mezőt generálják.

13.3.3. Optikai kvantumszámítógép

Végül említjük a fotonok és optikai kapuk segítségével történő megvalósításokat. A fotonok nagyon természetes példák kubitek létrehozására. Könnyen létrehozhatóak és meg is szüntethetőek, ami jelentős különbség a többi kvantumrendszerhez képest. Egymással nem lépnek direkt kapcsolatba, és feltételes lineáris kapuk sem készíthetőek direktben hozzájuk. Egyes algoritmusok jól implementálhatóak segítségükkel, de kérdéses, hogy nagyteljesítményű (sok-kubites), csak optikai elven működő univerzális kvantumszámítógép megvalósítása lehetséges-e...

Azért a kvantumoptikának is van kézzelfogható eredménye, hiszen a svájci székhelyű IDQ cég már évek óta készít és ad el valódi véletlenszám generátort (lásd 13.7. ábra). Az igazi véletlenszámok a kriptográfia mellett pl. a szerencsejáték-iparban, vagy a számítógépes játékoknál is alkalmazhatóak. A szerkezet lényegét alkotó chipben fotonok féligáteresztő tükrökön haladnak át, illetve verődnek vissza. Mivel ez a jelenség valódi véletlen, a folyamat előre elvileg sem kiszámítható módon megy végbe (csak valószínűségekkel jósolhatunk), a gyakorlatban is jól használható, itt ez alapján generálódik a kimeneti számsor. (Itt jegyzendő meg, hogy (determinisztikus) számítógéppel elvileg is lehetetlen valódi véletlen számsorozatot generálni, bár rengeteg kutatás folyt és folyik az irányba, hogy a generált számsorozat minél közelebb álljon ehhez valamilyen értelemben... )

13.7. ábra - Valódi véletlenszám generátor kvantumoptikai alapon (a fotó a Quantis quantum randomgenerátorról a gyártó cég engedélyével).

Valódi véletlenszám generátor kvantumoptikai alapon (a fotó a Quantis quantum randomgenerátorról a gyártó cég engedélyével).