Pocsékul szolgálnának golflabdaként az elektronok. Meglehetősen neveletlenek ugyanis. Mert amikor egy hagyományos golflabda végiggurul az úgynevezett zöldterületen, majd megáll, akkor mi sem könnyebb, mint eldönteni: benne van-e a lyukban vagy sem. Az elektron viszont egyszerre több helyen méltóztatik tartózkodni: lehet a lyukban, mellette, de akár még mindig a zöldterület szélén is. Az elektron a maga fizikai valóságában – a többi mikroszkopikusnál kisebb anyagrészecskéhez hasonlóan – egy bizonytalan körvonalú felhőként, még inkább valamiféle valószínűségként képzelhető el. Lehetetlen nyomon követni, hogy az adott pillanatban merre jár.
Kvantummechanikai módszerrel eljuthatunk oda, hogy egy elektronról meghatározott valószínűséggel állíthatjuk, ott van-e a megadott helyen, de a részecske a valóságban nem cövekel le egyetlen ponton, hacsak erre valamilyen külső erő nem kényszeríti rá. A véletlennek és a pontatlanságnak ez a zabolátlan keveréke egy golfpartit teljesen tönkretenne. A fizikusok és a komputertudósok viszont azt remélik, hogy – e rakoncátlanságot a saját hasznukra fordítva – eddig megoldhatatlanként kezelt problémáknak tudnak a végére járni. Az e felismerés eredményeképpen várhatóan – a mai remények szerint 15-20 éven belül – megszülető kvantumszámítógépek azután felgyorsíthatják a gyógyszerkutatást, pontosabbá tehetik az időjárás-előrejelzést, s ma még elképzelhetetlenül összetett áramkörök előállításához segíthetnék hozzá a csipgyártókat (sajnos a hackerek számára is megkönnyítenék az internetes adatforgalmat védő kódok feltörését).
Napjaink számítógépei ugyanazon elv alapján oldják meg a problémákat, mint ahogyan azt közös ősük, az Eniac tette 1945-ben. Lépésről lépésre követik az utasításokat. Szorgalmuk és kötelességtudásuk megszabadította az embereket az unalmas matematikai műveletek elvégzésétől, s fontos változásokat tettek lehetővé a kommunikáció, a szórakozás és a tudományos kutatások terén – olyanokat, amelyekről az Eniac feltalálói még álmodni sem mertek volna.
E gépek vesztét azonban éppen a túlzott engedelmességük okozza. Sok fontos probléma ugyanis nem oldható meg hatékonyan a szigorú utasításkövetéses rendszerben. Például ahhoz, hogy egy nevet egy nem ábécérendben megadott listán a hagyományos komputer megtaláljon, el kell kezdenie az elején, s a listán található neveket egyenként kell összehasonlítania a keresett névvel. Amennyiben az átböngészendő lista a szokványosnál sokkal “hosszabb” – ilyen például az emberi gének összes lehetséges kombinációjáé -, akkor ezzel a “mérd össze, vesd el” algoritmussal még a leggyorsabb mai szuperszámítógép is csak évszázadok alatt végezne. Aminek az az oka, hogy a hagyományos komputer minden “nevet” kapcsolások sorozatával ír le, ezeket a “ki” és “be” kapcsolásokat szokásosan a kettes számrendszer két számjegyével, az 1-el és a 0-val jelölik.
Ezzel szemben a kvantumszámítógép egyszerre veszi szemügyre az egész listát, a kapcsolások helyett kvantum “golflabdákat” használva. Hogy miként? Adjunk a labdának 1-es jelet, ha benne van a lyukban, illetve 0-ásat, ha nincs. A kvantumoknak azon tulajdonsága miatt, hogy egyszerre több helyen vannak, nem kell minden labda mellé a két szám valamelyikét rendelnünk. Elég ehelyett, ha valamilyen valószínűségi számsort rendelünk hozzájuk. Például: 50 százalék annak az esélye, hogy benne van a lyukban, s 50, hogy nincs. Elég sok ilyen 50-50-es kvantumlabdácskával a lista összes neve egyszerre vizsgálható.
Kvantumkomputerünk inputja tehát a milliárdnyi, vagy még annál is több név. A gép programja pedig lökdösi és alakítja a kvantumlabdácskák által képviselt valószínűségek felhőit, ezek segítségével hasonlítja össze a keresett nevet a lista egészével. A kvantumgépek programozóinak pedig az a feladata, hogy a találati esélyszámokat manipulálva úgy “dobassák el a kockát” a felhasználóval, hogy a lehető leggyorsabbá tegyék a megoldás elérését.
Nabil Amer, az IBM kvantumszámítógépes projektjének vezetője meg van győződve arról, hogy ez az atomoknál kisebb részecskékkel való játszadozás a hagyományos eljárásnál sokkal gyorsabb eredményt hoz például a bonyolult szimulációknál. “A mérnökök és gyógyszerkutatók elcsomagolhatják a laboratóriumi eszközeiket, s a kísérleteket elvégezhetik a komputeren.” Képzeljünk el egy olyan adatbázist, amely tartalmazza a vegyszerek kölcsönhatásainak összes szabályát. Egy kvantumkomputer és ezen adatbázis segítségével egy pillanat alatt rábukkanhatunk egy megkívánt tulajdonságokkal rendelkező gyógyszer anyagösszetételére.
Ám egy ilyen kvantumkomputer tényleges megépítése nem ígérkezik könnyű feladatnak. A problémával számos helyen foglalkoznak világszerte, s – talán nem meglepő módon – egymástól gyökeresen különböző megvalósítási tervek kristályosodnak ki. A National Institute of Standards & Technology munkatársai oly módon végeznek el kvantum alapú számításokat, hogy rövidre szakaszolt lézersugarakkal bombáznak közel abszolút nulla fokra hűtött berillium atomokat. A California Institute of Technology kísérlete során a kvatumgolflabda szerepét két szembeállított tükör között ide-oda pattogó fénysugárrészecskék töltik be. A japán Cukuba városában, a NEC alapkutatásokat végző laboratóriumában pedig egy hagyományos csiphez illesztett parányi szupervezető anyag generálja az 1/0 esélyszámokat.
Az eddig legsikeresebbnek bizonyult konstrukció az IBM San José-i Almaden Research Centerében, azon belül is Isaac Chuang laboratóriumában található. Egy ceruzányi kémcsőben milliónyi alanin molekulát tartalmazó sárga folyadékot tettek, s az üvegcsövet belehelyezték egy mágneses rezonancia készülékbe (NMR – nuclear magnetic resonance), a kórházakban használatos NMR-gépek kicsinyített változatába. A molekulák mindegyike egy különálló kicsinyke kvantumkomputerként értelmezhető, három-három szénatomjuk pedig operatív memóriaként szolgál. A számítási művelet elvégzése úgy történik, hogy Chuang a mágneshullámok sorozatával összerázza az atomok valószínűségjegyeit. Egy tizedmásodperc elteltével érkezik a végső löket, amely színvallásra készteti az atomokat.
Chuang viccesen azt szokta mondani, hogy az övé a legnagyobb működő kvantumkomputer a világon, majd komolyan hozzáteszi: ez még nagyon távol van az igazitól. A molekulánkénti mindössze három atom csupán egy nyolc nevet tartalmazó lista átvizsgálásához elegendő. Egy hosszabb lista megemésztéséhez nagyobb molekulákat kell alkalmazni.
A Lucent Technologies Bell Labs és a Michigan State University közös programjának kutatói megint csak más úton járnak. Úgy vélik, tetszőleges mennyiségű elektront lebegtethetnek egy folyékony hélium alkotta rétegen, majd ezeket mikrohullámok meghatározott sorozatával bírnák rá a számítások elvégzésére.
Akár akarjuk, hogy legyenek kvantumkomputerek, akár nem, hamarosan megtapasztalhatjuk, hogy szükségünk van rájuk. Ahogyan a hagyományos számítógépek áramkörei egyre kisebbek lesznek, egy idő múlva lejutnak a kvantummechanikai méretekig, ahol az anyag tulajdonságai radikálisan megváltoznak. A számítógépes iparban ma sokan úgy gondolják, hogy ez a mérethatár – amelyet 2012 tájékán érünk el – legyőzhetetlen akadályt képez majd a továbblépés előtt. Chuang szemében azonban éppen ekkor kezdenek érdekessé válni a dolgok. “A végéről indulunk el – mondja eltűnődve -, s hátrafelé menve ballagunk a civilizáció felé.”
Ez nekünk már egy kicsit sok.
