Működő kvantumszámítógépet építeni olyan ijesztő vállalkozás, hogy sokan úgy gondolják, ez csak a technológiai óriások és szuperhatalmak számára lehetséges, és Izrael számára elérhetetlen.
Roee Ozeri professzor a Weizmann Tudományos Intézetből másképp gondolja:
„A világ egyik első számítógépét, a WEIZAC-ot itt építették az 1950-es években, amikor Izraelben még csak mocsarak és tevék voltak. Ma Izrael egy technológiai nagyhatalom; nincs okunk arra, hogy ne legyünk élenjárók a kvantumszámítógépek versenyében.”
A PRX Quantum című folyóiratban ismertetett projektben Ozeri csapatának sikerült megépítenie egy kvantumszámítógépet – a világ mintegy 30 ilyen gépének egyikét, és kevesebb mint 10 közül az egyiket, amely az ioncsapdáknak nevezett fejlett technológiára támaszkodik. Ozeri laboratóriumában már egy még nagyobb számítógépen dolgoznak, aminek már neve is adtak: a tudósok a Weizmannban 1955-ben felavatott WEIZAC előtt tisztelegve WeizQC-nek tervezik nevezni.
A kvantumszámítógépek olyan számítási komplexitást ígérnek, amely még a legerősebb klasszikus számítógépekkel is elképzelhetetlen. Ezt a képességszintet „kvantumelőnynek” nevezik. Ez forradalmi alkalmazások egész sorát hozhatja magával, a feltörhetetlen kódok tervezésétől és a piaci ingadozások előrejelzésétől kezdve az új gyógyszerek, anyagok és mesterséges intelligencia rendszerek fejlesztésének felgyorsításáig.
Ennek oka, hogy a mai számítógépekkel szemben, amelyeket a klasszikus fizika határai korlátoznak, a kvantumszámítógépek teljesen más törvényeknek engedelmeskednek – a kvantummechanika törvényeinek, amelyek a mikroszkopikus világot uralják. A mi megszokott világunkban az emberek, a macskák vagy akár a bitek – a klasszikus számítástechnikában az információ alapegységei – egyszerre csak egy helyen lehetnek. Ezzel szemben a kvantumbitek, az úgynevezett qubitek egyszerre több pozícióban vagy állapotban is jelen lehetnek, ami lehetővé teszi számukra, hogy párhuzamosan több számítást végezzenek, és ezzel hatalmas számítási teljesítményre adnak lehetőséget.
Ozeri mintegy 15 évvel ezelőtt lett a kvantumszámítástechnikai kutatások úttörője Izraelben, miután visszatért az Egyesült Államokból, ahol PHD tanulmányait a Nobel-díjas David Wineland vezetésével végezte.
„Akkoriban a kvantumszámításokat egyetemi laboratóriumokban végezték”
– mondja Ozeri.
„Az elmúlt évtizedben azonban olyan kereskedelmi vállalatok, mint a Google, az Amazon és az IBM is beszálltak a kvantumszámítógépek megépítéséért folytatott versenybe, miközben az Egyesült Államok, Kína és az Európai Unió tömegesen finanszírozott stratégiai programokat indítottak a terület fejlesztésére.”
A kutatás e bővülése ellenére továbbra is jelentős kihívások állnak előttünk. Az egyik legnagyobb akadály a kvantumszámítógépek környezeti zajra való rendkívüli érzékenysége, ami a nagy, összetett rendszerek megépítésének útjában áll. A Dr. Tom Manovitz és Yotam Shapira kutatóhallgató által vezetett projektben Ozeri csapata ezt a kihívást két újítás bevezetésével oldotta meg, mindkettőt sikeresen alkalmazták a kutatók által a laboratóriumukban épített kvantumszámítógépben.
A mai számítógépek mind ugyanarra a (Neumann-) architektúrára épülnek, de a kvantumszámítógépek területén még mindig több különböző technológia verseng az első helyért. A vezető versenyzők között vannak az ioncsapdák, olyan rendszerek, amelyekben minden egyes ion – vagyis minden egyes elektromosan töltött atom – egyetlen qubitet képvisel. Ahogyan a hagyományos bitek két állapot, 0 és 1 között mozoghatnak, úgy az ionalapú qubitek is képesek váltani a különböző állapotok között, amelyeket az elektron különböző repülési pályái határoznak meg az atommag körül. A hagyományos elektronika helyett a qubitváltás az ioncsapdában lézerrel történik. Ezeket a qubit-alapú műveleteket logikai kapuknak nevezik. Az összetett számításokhoz egynél több qubitet tartalmazó kapukra van szükség, de az ilyen műveletek érzékenyek, és a legkisebb környezeti zaj hatására a rendszer elveszíti kvantumtermészetét. Ennek megakadályozására a Weizmann kutatói olyan lézerimpulzus-mintázatot fejlesztettek ki, amely a logikai kapukat robusztusan és stabilan tartja.
De még ha a kapuk robusztusak is, a rendszer nagy érzékenysége miatt a rendszer olyan hibákat halmozhat fel, amelyek azzal fenyegetnek, hogy a rendszer kvantumtermészetét tönkreteszik. A hiba kijavításához először meg kell találni a hibát, amihez a qubitek mérésére van szükség. De van egy bökkenő: A mérés olyan beavatkozásnak minősül, amely elkerülhetetlenül a rendszer kvantumtermészetének elvesztéséhez vezet. A megoldás az, hogy csak néhány qubitet mérünk meg, nem az összeset. A csapdába esett ionokon alapuló számítógépekben a méréseket úgy végzik, hogy megvilágítják az ionokat, és az így keletkező fényszórásból – ha van ilyen – meghatározzák a qubitek állapotát. Új számítógépükben a Weizmann tudósai az egyes ionok állapotát rögzítő fénydetektorokat egy kameraalapú tömbre cserélték, amely az összes qubitet egyszerre érzékeli. Ezután, hogy megvédjék a rendszer kvantumtermészetét, a qubitek egy részét elrejtették a kamera elől. Kifejlesztettek egy módszert is, amellyel leküzdhették az adatfeldolgozás lassulását, amely a kameraalapú tömbökhöz társult: Olyan elektronikus áramköröket építettek be, amelyek gyorsan kiolvasták és feldolgozták a kamerák információit, felgyorsítva ezzel a hibajavítást.
A Weizmann-számítógép egy öt qubites gép, nagyjából azt a szintet érte el az IBM gépe, amikor a vállalat először kezdte el felhőszolgáltatásként kínálni a kvantumszámítást.
A WeizQC, amelyet jelenleg Ozeri laboratóriumában építenek, a tervek szerint 64 qubittal fog működni.
A tervek szerint demonstrálni fogja a kvantumelőnyt, amelyet eddig csak két laboratóriumban épített számítógépek értek el: a Google-nél és a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetemen.
