Videó

Tranzkript

A történelmünk túlnyomó részében az emberi technológia teljes egészében az agyunkból, a tűzből és hegyes végű botokból állt.

És míg a tűzből és hegyes végű botokból erőművek és atomfegyverek lettek,

a legnagyobb fejlődés az agyunk esetében történt.

Az 1960-as évek óta a gépi agyak teljesítménye exponenciálisan nőtt,

lehetővé téve, hogy a számítógépeink egyszerre legyenek egyre kisebbek és egyre erősebbek is.

Azonban ez a folyamat hamarosan eléri a fizikai korlátait.

A számítógépek építőelemei lassan atomnyi méretűek lesznek.

Hogy megértsük, miért jelent ez problémát, át kell vennünk pár alapfogalmat.

Dióhéjban – készítette a Kurzgesagt

A számítógépet nagyon egyszerű alkotóelemek építik fel,

amik csak nagyon egyszerű dolgokra képesek.

Adatok reprezentálására, feldolgozására, és mindezen folyamatok irányítására.

A számítógépcsipek modulokból állnak, amik logikai kapukat tartalmaznak, amiket pedig tranzisztorok építenek fel.

Egy tranzisztor a számítógép legalapvetőbb, legegyszerűbb adatfeldolgozó-egysége,

lényegében egy kapcsoló, ami vagy átengedi az átfolyó információt, vagy blokkolja.

Ezt az információt bitek alkotják,

amik vagy 0, vagy 1 értéket vehetnek fel.

Összetettebb információkat sok-sok bit kombinációjával lehet kifejezni.

A tranzisztorok segítségével logikai kapukat építhetünk, amik változatlanul nagyon egyszerű dolgokat csinálnak.

Például, egy logikai ÉS kapu 1-es kimenetet ad, ha minden bemenete 1, minden egyéb esetben a kimenete 0.

A logikai kapuk kombinálásával már létrehozhatunk értelmesebb modulokat is, mondjuk egy olyat, ami összead két számot.

Amit tudunk összeadni, tudunk szorozni is,

és amint tudunk szorozni, alapjában véve bármit meg tudunk csinálni.

Mivel az összes alapvető művelet szó szerint egyszerűbb, mint az elsős matematika,

egy számítógépet elképzelhetsz sok-sok hétéves gyerek csoportjaként, akik egyszerű matekkérdéseket oldanak meg.

Ha elég sok van belőlük, együtt ki tudnak számítani bármit,

az asztrofizikától egészen a Zeldáig.

Azonban, ahogy ezek az alkotóelemek egyre inkább összemennek,

belép a képbe a kvantumfizika.

Egy tranzisztor lényegében csupán egy elektromos kapcsoló.

Az elektromosság pedig rendezetten mozgó elektronok sokasága.

Szóval egy kapcsoló egy átjáró, ami vagy átengedi, vagy megállítja az elektronokat.

Manapság egy tipikus tranzisztor úgy 14 nanométeres,

ami úgy 8-szor kisebb, mint a HIV vírus átmérője,

és 500-szor kisebb, mint egy vörösvértest.

Hogyha a tranzisztorok átmérője csupán néhány atom szélességűre zsugorodik,

előfordulhat, hogy az elektronok csak úgy átkerülnek a lezárt átjárók túloldalára

az úgynevezett alagúthatás miatt.

A kvantumbirodalomban a fizika egészen eltérően működik az általunk megszokott és megjósolható fizikától,

és a hagyományos számítógépek egyszerűen értelmüket vesztik.

A technológiai fejlődésünk tehát hamarosan egy valódi, fizikai határba ütközik.

Hogy megoldjuk ezt a problémát,

a tudósok igyekeznek a saját javukra fordítani ezeket a szokatlan kvantumtulajdonságokat,

kvantumszámítógépek építésével.

A normál számítógépekben a bitek jelentik az információ legkisebb egységét.

A kvantumszámítógépek viszont qubiteket, avagy kvantumbiteket használnak, amik ugyanígy beállíthatók a két érték valamelyikére.

Egy qubit lehet bármilyen kétállapotú kvantumrendszer,

például egy spin és egy mágneses mező, vagy akár egyetlen foton is.

A 0 és az 1 a rendszer által felvehető lehetséges értékek,

mondjuk mint a foton vízszintes, vagy függőleges polarizációja.

A kvantumvilágban azonban a qubit nincs szigorúan a két érték valamelyikére korlátozva,

felveheti egyszerre mindkét értéket is, bármilyen arányban.

Ezt hívjuk szuperpozíciónak.

Azonban amint leolvasod az értékét, mondjuk átküldve a fotont egy szűrőn,

a fotonnak döntenie kell, hogy ő most épp függőlegesen, vagy vízszintesen polarizált-e.

Szóval amíg meg nem nézik,

a qubit értéke a 0 és 1 értékek valószínűségeinek szuperpozíciójában van, és lehetetlen előre megmondani, melyiket fogja felvenni.

Viszont amint megméred, azon nyomban

összeomlik a két határozott érték valamelyikére.

A szuperpozíció mindent megváltoztat.

Például: négy klasszikus bit egyszerre csak egyféle értéket vehet fel a kettő a negyediken lehetséges értékből.

Ez összesen 16-féle kombináció, amiből egyszerre csak egyet használhatunk.

A szuperpozícióban lévő qubitek azonban mind a 16 értéket felvehetik egyszerre!

Ez a szám exponenciálisan nő minden qubit hozzáadásával.

20 darab már képes egyszerre egymillió érték eltárolására!

A qubitek másik roppant furcsa és a józan észnek ellentmondó tulajdonsága az összefonódás,

egy nagyon szoros kapcsolat, melynek következtében egy qubit azonnal reagál a társa állapotváltozásaira,

attól függetlenül, hogy milyen messze vannak.

Ez azt jelenti, hogy egy összefonódott qubit megméréséből következtethetünk a társa tulajdonságaira anélkül,

hogy megnéznénk.

A qubitekkel való számítások legalább ennyire agyzsibbasztóak.

Egy normál logikai kapu kap egy sor egyszerű bemenetet és egy határozott kimenetet ad.

Egy kvantumkapu ezzel szemben manipulál a bemenetként kapott szuperpozíciókkal, megforgatja a valószínűségeiket,

és egy másik szuperpozíciót ad kimenetként.

Szóval egy kvantumszámítógép felállít egy sor qubitet, kvantumkapukkal összefonja őket és manipulálja a valószínűségeiket,

és végül aztán megméri a végeredményt, összeomlasztva a szuperpozíciókat egy sor nullává és egyessé.

Ez azt jelenti, hogy az adott beállításokkal elvégezhető összes lehetséges számítást megcsinálja egyszerre.

Végül csak egyféle eredményt tudsz lemérni és az csak valószínűleg lesz az, amit akartál,

szóval a legjobb, ha többször is megcsinálod.

Azonban a szuperpozíció és az összefonódás tulajdonságait okosan kihasználva

exponenciálisan hatékonyabban végezhetünk számításokat annál, mint ami egy normál számítógéppel valaha lehetséges lenne.

Szóval, míg a kvantumszámítógépek valószínűleg nem fogják felváltani az otthoni számítógépeinket,

egyes területeken mérhetetlen fölényük van.

Az egyik az adatbázisokban való keresés.

Ahhoz, hogy megtaláljon valamit egy adatbázisban, egy normál számítógépnek néha végig kell néznie a teljes adatbázist.

A kvantumszámítógépek algoritmusai ezt az eredeti idő négyzetgyöke alatt megcsinálják,

ami óriási különbséget jelent a nagy adatbázisok esetén.

Azonban a kvantumszámítógépek leghírhedtebb felhasználási lehetősége a kiberbiztonság tönkretétele.

Jelenleg az emailjeid és a banki adataid azért vannak biztonságban, mert titkosították őket egy olyan rendszerrel,

amiben mindenkinek van egy úgynevezett publikus kulcsa, amivel úgy küldhetnek neked kódolt üzeneteket, hogy azt csak te tudd dekódolni.

A probléma pont az, hogy ebből a publikus kulcsból meghatározható a titkos, privát kulcsod, amivel dekódolod az üzeneteket.

Szerencsére az ehhez szükséges matek elvégzéséhez egy normál számítógépnek évekig kellene próbálkoznia.

Azonban egy kvantumszámítógép a maga exponenciális gyorsaságával egy szempillantás alatt végez vele.

Egy másik izgalmas, lehetséges felhasználási terület a szimulációk.

A kvantumvilág szimulálása rendkívül erőforrásigényes,

és még a molekulákhoz hasonló nagyobb dolgok esetében is pontatlan lehet.

Adja magát a kérdés: miért ne szimulálhatnánk a kvantumfizikát valódi kvantumfizikával?

A kvantumszimulációk új betekintések sokaságát adhatnák a fehérjék szerkezetébe, ami forradalmasíthatja a gyógyítást.

Jelenleg még nem tudjuk, hogy a kvantumszámítógépek csak speciális eszközök lesznek,

vagy forradalmasítják-e az egész emberiséget.

Fogalmunk sincs, hol vannak a technológia határai,

és csak egy módon deríthetjük ki.

Ezt a videót az Ausztrál Tudományos Akadémia támogatta,

akik maguk is támogatják és előrelendítik a tudomány érdemeit.

Többet megtudhatsz erről a témáról és még sok hasonlóról a nova.org.au weboldalon.

Nagyszerű volt velük dolgozni, szóval mindenképp nézz szét az oldalukon!

Ennek a videónak a megvalósítását is a ti támogatásotok tette lehetővé a Patreon.com-on.

Ha te is szeretnél segíteni nekünk, és csatlakozni a Kurzgesagt madárhadához, keresd fel a Patreon-oldalunkat!