The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
E fémhenger tartalma vagy forradalmasítja a technológiát, vagy teljesen haszontalan lesz. Minden attól függ, hasznosítjuk-e a parányi anyagrészecskék fura fizikáját. Hogy legalább esélyünk legyen rá, pontosan szabályoznunk kell a környezetét: a vastag asztallap és asztallábak megóvnak a lépések, a közeli liftek s az ajtónyitások-csukások okozta rezgésektől. A henger vákuumkamra, mentes a levegőben lévő gázoktól. A vákuumkamra belsejében nagyon hideg kamra van, amelybe csak vékony lézersugár hatol be. A belsejében érzékeny részecskék vannak, belőlük áll a kvantumszámítógép.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
Miért éri meg e részecskékkel vesződni? A kvantumszámítógép elméletileg felülmúlja a hagyományos számítógépet. A hagyományos számítógép az adatokat bitek alakjában dolgozza föl. Minden bit két állapotban lehet: nulla vagy egy. A kvantumszámítógép ún. kvantumbitet vagy qubitet használ, amely nulla, egyes vagy ún. szuperpozíció állapotot vehet föl. Amikor szuperpozícióban van, sokkal több információt tartalmaz, mint az egyes vagy a nulla. Úgy képzeljük el őket, mint a gömb egy-egy pontját: az északi és déli sark az egyesnek és a nullának felel meg. A bit csak a két sark közt váltakozhat, de mikor a qubit szuperpozícióban van, a gömb bármely pontján lehet. A pontos helyét nem ismerjük, mikor kiolvassuk, a qubit nullává vagy egyessé alakul. Bár nem fülelhetjük le szuperpozícióban, úgy irányíthatjuk, hogy ekkor bizonyos műveleteket végezzen.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
A feladatok bonyolódásával a megoldáshoz egyre több bit kell a hagyományos számítógépnek, ám a kvantumgép elméletileg egyre bonyolultabb feladatokkal is képes megbirkózni, anélkül hogy annyival több qubit kellene, mint a hagyományosnak a bitből.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
A kvantumgépek tulajdonságai az atomi és a szubatomi részecskék viselkedésével magyarázhatók. E részecskéknek kvantumállapotuk van, amely a qubit állapotának felel meg. A kvantumállapot hihetetlenül instabil, hőmérséklet- és nyomásingadozások, elektromágneses terek zavarai és más részecskékkel való ütközés könnyen tönkreteszik. Ezért kell ennyire precíz berendezés. Ezért a kvantumgépek teljesítménye egyelőre elméleti. Ezidáig csak pár qubitet tudunk egyidejűleg egy helyen irányítani.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
A szeszélyes kvantumállapot hatékony irányításának két fő összetevője van: a kvantumgép által használt részecskék fajtája és a részecskék kezelési módja. Egyelőre két fő módszer ismeretes: az ioncsapdás és a szupravezető qubitek.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Az ioncsapdás kvantumgép ionokat használ részecskeként, és lézerrel irányítja őket. Az ionok villamos tér keltette csapdába kerülnek. A lézerbemenet adja meg az ionoknak, milyen műveletet hajtsanak végre azáltal, hogy a qubitállapot forgását okozzák a gömbön. Egyszerű példával élve, a lézer fölteheti a kérdést: mik a 15 törzstényezői? Az ionok válaszul fotonokat bocsátanak ki. A qubit állapotától függ, hogy az ion kibocsát-e fotonokat, és hány fotont bocsát ki. A képalkotó rendszer begyűjti a fotonokat, feldolgozva őket kiadja a választ: a három és az öt.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
A szupravezető qubites gépek ugyanezt másként oldják meg: villamos áramkör csipjét használják ioncsapda helyett. Az egyes áramkörök állapotát a csipek qubitállapotra fordítják le. Mikrohullámú bemeneti jelekkel szabályozhatók. Tehát a qubitek ionokból vagy villamos áramkörökből keletkeznek, lézerek vagy mikrohullámok révén. Mindkét módszernek vannak előnyös és hátrányos oldalai. Az ionok nagyon pontosan irányíthatók, és soká fönnmaradnak, de minél több ion kerül a csapdába, annál nehezebb egyenként szabályozni őket. A bonyolultabb számításokhoz egyelőre nem tarthatunk elég iont a csapdában, de van megoldás, amely összeköthet sok apróbb csapdát, amelyek fotonokon keresztül kommunikálhatnak egymással, nem pedig egy csapda létrehozása révén. A szupravezető áramkörökkel gyorsabban végezhetők műveletek, mint ioncsapdával, és könnyebb a számítógépes áramkörök számát növelni, mint az ionokét. De az áramkörök instabilabbak, és élettartamuk rövidebb.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
Bár a kvantumgépek fejlődnek, továbbra is ki vannak téve a kvantumállapot fenntartásához szükséges környezeti korlátoknak. Ám minden nehézség ellenére már sikerült számításokat végeznünk abban a világban, amelybe nem léphetünk be, és még csak meg sem figyelhetünk.