Korunk egyik tudományos szent grálja a csak tervekben létező kvantumszámítógép, amelynek fizikai megépítéséről ugyan még nincs egységes elképzelés, de már folyik a szoftveres hátterének a kidolgozása is. Napjainkban, közel egy évszázaddal Babbage-nek korát megelőző látomása után tehát a történelem megismételni látszik önmagát.

Ki volt Charles Babbage? A 19. század elején élt brit matematikus, aki olyan gőzmeghajtású szerkezet terveit dolgozta ki, amely képes lett volna matematikai egyenletek automatikus kiszámítására. Bár a kor technológiái kivitelezhetővé tették, az analitikus gép nem épült fel a tudós élete során. A matematikus munkáját lelkesen támogatta az egyik munkatársa, Ada Lovelace, a nagy költő, Lord Byron lánya. A hölgy Babbage vázlatait saját jegyzeteivel egészítette ki, lefektetve ily módon az első számítógépprogram alapjait. Később, 1979-ben a Pentagon belső használatra kifejlesztett programozási nyelvét az ő tiszteletére Adának nevezték el.

Részecskék és hullámok

A 20. század egyik nagy tudományos forradalmának számító részecskefizika eredményeire támaszkodó elmélet szerint, ha a számítógépes adattárolás fejlesztési foka eljut a nyersanyagok atomi szintű megmunkálásához, az nem azt jelenteni, hogy ezzel végső korlátokba ütközünk. A következő szint az elemi részecskéken alapuló információfeldolgozás lesz, amely a mai modell teljesítményét több szempontból is nagyságrendekkel szárnyalja majd túl.

Az elképzelés azon a felismerésen alapszik, hogy az információ az atomnál kisebb testekben, mint a foton vagy a kvark, a kvantumfizika törvényeinek engedelmeskedik, amelyek igencsak eltérnek a látható-tapintható környezetünkkel foglalkozó klasszikus fizika világától. A leglényegesebb idevágó különbség az, hogy szubatomi szinten egy részecske nemcsak a megszokott 1 vagy 0 állapotot veheti fel, hanem olyan harmadik eset is lehetséges, hogy mindkettőt egyszerre. Más szóval, egy elemi részecske az atomon belül akár két helyen is jelen lehet egy időben. Ilyenkor érdemes, ha a részecskéket nem pusztán anyagként, hanem hullámokként próbáljuk meg elképzelni, melyeknek a helyzete csak valószínűségként adható meg.

A jelenlegi információtárolás alapegysége a bit, amely mindössze egy kétváltozós értéket – igen vagy nem, 0 vagy 1 – takar. A számítógépcsipek szilíciumlemezeibe litográfiai eljárással vésett tranzisztorok egy ilyen logikai változó tárolására képesek elektromos töltés formájában. Jelenleg a fejlesztők azért hajszolják magukat, hogy minél több tranzisztort zsúfoljanak bele egy lapka felszínébe, de egyszer – becslések szerint nagyjából 15 év múlva – elérkezünk a végső határig, vagyis az atomi méret szintjére. (A ma gyártott tranzisztorok legfejlettebb 50 nanométer nagyságúak, és ezekből milliók férnek el egy négyzetmilliméteren.)

Az atom szintjén és alatta előáll az a jelenség, amit a hagyományos fizika világában nem tapasztalhatunk: a kvantum-szuperpozíció, vagyis az, hogy egy atom az 1 és a 0 mellett olyan elektronikus állapotot vehet fel, amely mindkét értéket egyszerre jelenti. Az így születő kvantumbitek, röviden qubitek kapacitása nemcsak egyszerűen több, hanem hatványozottan több, mint hagyományos párjaiké. Minél nagyobb számban kerülnek egymás mellé, tárolóképességük exponenciálisan növekszik: míg három qubit egyszerre nyolc számot tud eltárolni, négy már tizenhatot.

Mivel a szuperpozíció jóvoltából a kvantumszámítógép nemcsak külön-külön, hanem párhuzamosan is tud dolgozni a számokkal, ugyanazt a műveletet jóval kevesebb számítási lépésbe bele lehet sűríteni. A technológiával tehát két legyet ütünk majd egy csapásra, hisz mind mennyiség, mind gyorsaság tekintetében akkora előnyhöz jutunk, hogy azt a mai technológia tökéletesítése helyett nyugodtan újfajta számítástechnikának is tekinthetjük. S mivel a kvantumszámítógép a mennyiségi előrelépés mellett a számítási műveletek összetettsége terén is új távlatokat nyit, előre látható, hogy a kihívás nemcsak a hardver-, hanem a szoftveroldal fejlesztőit is egyformán érinti majd.

Bizonyos műveletek, mint például egy szám szorzókra bontása, azaz faktorálása egy bizonyos számjegy fölött még a mai számítógépeknek is nagy kihívást jelentenének. Ezer számjegyű számmal a papíron való elvégzése pedig annyi időt igényelne, mint amekkora az univerzum becsült kora, az így kapott számok újbóli összeszorzása viszont már jóval kevesebbet. Ahogy nő a számjegy hosszúsága, ugyanúgy nő a két művelet időigénye közi különbség is. Azonban a faktorálás is a szorzáshoz hasonlóan egyszerű műveletté válhat, ha olyan algoritmust sikerül létrehozni, ami tartalmaz – egy mai számítógépnek még értelmezhetetlen – olyan utasítást is, mint „vegyük az előző műveletekben szereplő összes szám szuperpozícióját”.

Új fejezet a titkosításban

Amekkora megkönnyebbülést hozhat az egyik oldalon, hogy eddig bonyolultnak tűnő műveletek rutinfeladattá válnak, ugyanakkora felfordulást okozhat a másikon. A kriptográfiai – információtitkosítási – eljárások nagy része ma ugyanis épp azt használja ki, hogy a hosszú számok faktorálása a jelenlegi számítástechnikával is nehezen kivitelezhető. Ha azonban megszületik a megfelelő kvantumalgoritmus, akkor ez a mai kriptográfia annyit fog érni, mint egy tyrannosaurus rex ellen a riasztópisztoly. Ám a megoldást erre a helyzetre épp a kvantummechanika szolgáltatja. Ezen belül is a határozatlansági elv néven ismeretes jelenség az, ami új fejezetet nyithat a titkosításban. Az idevonatkozó fejlesztések pedig gyakorlatilag az első, kézzelfogható eredményeit szolgáltatják a kvantum- és információelmélet összekapcsolásának.

A határozatlansági elv többek között azt mondja ki, hogy egy elemi részecskének a helyzetét és sebességét együtt nem lehet meghatározni, mivel az egyik tulajdonság mérése a másik értékét jelentősen módosítaná. Más szóval: a megfigyelő már a puszta jelenlétével is megváltoztatja a vizsgált rendszer működését. A kriptográfiai alkalmazás gyakran emlegetett példája szerint, ha Alice egy véletlenszerűen generált titkosítási kulcsot fotonok formájában továbbít Bobnak, de ezt útközben Eve lehallgatja, akkor már csak egy módosított kulcs jut el Bobhoz, vagyis Bob és Alice, utólagosan egyeztetve ki tudják szűrni a harmadik fél jelenlétét. 1989-ben Charles Bennett, az IBM kutatója továbbított először ilyen kulcsot két egymás közvetlen közelében elhelyezett hagyományos számítógép közt. Azóta a technológia tesztje több tíz kilométeres optikus kábeleken is sikert aratott, és jelenleg műholdak bevonásával folytatnak kísérleteket. Az optikai kábeles megoldás várhatóan még az idén kereskedelmi forgalomba kerül, és becslések szerint a kvantumkriptográfia piaca jövőre 500 milliós, három éven belül pedig egymilliárdos forgalmat generál.

Maradhat a szilícium?

A részecskék ilyetén érzékenysége a külső hatásokra csapdákat is rejt, hisz az így tárolt információ folyamatosan ki van téve a környezet okozta torzulásoknak. Sokáig úgy gondolták, hogy ez végső akadálya is lehet majd a kvantumszámítógép megépítésének, ma azonban önálló kutatási területté nőtték ki magukat a hibakorrekciós technikák.

Egyelőre azonban még az is kérdés, hogy melyik anyag alkalmas arra, hogy helyet adjon a nukleáris mágneses rezonanciával olvasható-írható qubitok millióinak. A korai kísérletek leginkább különböző atomokat tartalmazó oldatokkal történtek, amíg ki nem derült, hogy a kvantumtranzisztorok nagy mennyiségben csak szilárd anyag felületén kerülhetnek egymás mellé. Ezzel ugyan szűkült a kör, de a folytatásról már a legkülönfélébb elképzelések születtek: van, aki a hagyományos szilíciumra, van, aki az organikus polimerekre esküszik, mások a rubídiumra, de szóba jöttek már kalcium-, hidrogén- és klóratomok is.