Hogy jussunk át egy falon? — kvantum alagút effektus
Rengeteg stratégia van arra, hogy egy fal egyik oldaláról a másikra átjussunk.
Persze nem mindegyik ugyanolyan jó. Lássunk itt néhányat:
1. (Éjkirály módszer) Türelmesen vársz éveken át, míg csapdába nem csalod ellenfeleidet a falnak ezen az oldalán, kikényszerítve belőlük, hogy a sárkányaikkal mentsék ki magukat. Egy sárkányt megölsz, kihúzod a jéghideg vízből majd feltámasztod zombisárkányként, aki számodra elpusztítja a falat. Ezek után elégedetten átrepülsz a fal romjai felett.
2. (A gyűrű szövetsége módszer) Kijelented, hogy nem lehet csak úgy átmenni a falon, majd találsz valakit aki helyetted az életét kockára téve hónapok szenvedése árán megkűzd az akadállyal.
3. (Dugovics Titusz módra) Megpróbálod megmászni a falat, de valaki megfog és levet róla, saját magával együtt, mert nem értékeli, hogy be akarod venni a várát.
4. (Éjjeli őrség tervérisége) Ha van alagút, átmész a falon.
5. (Kvantum stratégia) Akár van alagút, akár nincs, átmész a falon.
A kvantum alagutazás
Sok fizikusnak ez az első megdöbbentő élménye, amikor azt mondja
Hmmm… azért ez a kvantum fizika ez tud valamit…
De mit is?
Jöjjön például egy hétköznapi elektron, ami egy falnak nekimegy… majd visszavágódik, pont úgy, mint egy hétköznapi elektrontól azt várnád.
De ha ezt a falat egyre vékonyabbra és vékonyabbra vesszük, egyszer csak elérünk egy olyan vastagságot, ahol már van esélye az elektronnak átalagutaznia rajta — azaz csak úgy átmennie rajta.
A jelenség valahogy azért fordul elő, mert az elektron “tartozkodási valószínűsége”, azaz “hullámfüggvénye”, a falban elhal. Ez az elhalás viszont nem azonnali, hanem csak nagyon nagyon gyorsan elhaló. Konkrétan exponenciálisan hal el a távolság függvényében — azaz nagyon hamar kb. 0 esély van rá, hogy ott legyen az elektron. A lenti ábrán kékkel láthatod a lekonyulást a falban. Ha vastagabb lenne a fal az ábrán, akkor nem jönne már ki semmi a túloldalán.
Viszont ha elég vékony a fal, a túloldalán még egy egész jelentős valószínűsége van annak, hogy az elektron még létezzen. És bizony ha valaki ránéz a falnak arra az oldalára, van rá esély, hogy ott megjelenjen az elektron. De nem mindig teszi ezt.
Mitől függ az áthatolás valószínűsége?
- Fal vastagsága
- Fal magassága
- Elektron energiája
De e három tényező közül is leginkább csak az a lényeg, hogy mennyi energiája van az elektronnak az akadály nagyságához képest. Ezt kb úgy érdemes elképzelni, hogy állsz egy fal előtt, és ha nagyon magas vagy ha nagyon vastag a fal, akkor nehéz rajta átmenned. Na, pont ilyen az elektronnak is.
Csaaaak az elektron ha megunja a falnézést, nem átmászik fölötte vagy áttörik rajta, hanem nagyon békés módón átalagutazik.
Illetve a kvantum rendszereknek egy kicsit absztraktabb a dolog, ugyanis bármikor, amikor egyik enegria-gátba ütköznek, akkor át tudnak alagutazni.
Pl. végy egy molekulát, ami két állapotban stabil, de a köztes állapotokban nem. Ekkor van rá esély, hogy egyszer csak átcsap az egyik állapotából a másikba. Puff! Alagutazás!
Ez mire jó? ¯\_(ツ)_/¯
A tényt, hogy bármilyen energia akadályon át tudnak alagutazni a kvantumrészecskék, ki lehet használni számítások gyorsítására. Konkrétan optimalizációs feladatok gyorsítására.
intermezzo: Mi az az optimalizáció?
Optimalizálás általában azt értjük, hogy van egy függvényed, aminek a minimumát akarod megtalálni. Ez egy elég általános dolog, mert sok mindent meg lehet így fogalmazni. Pl. lehet a célod az, hogy:
“minimalizálom az időt, ami szükséges a bevásárláshoz”
Ezt úgy csinálod, hogy valamilyen sorrendbe begyűjtöd a vásárolni kívánt tárgyakat. Következőre, amikor mész, kicsit más sorrendbe gyűjtöd be, és ha gyorsabb volt akkor megtartod azt a konfigurációt (útvonalat). És következő héten újra picit máshogy vásárolsz be. És mindig figyeled, mennyi időbe telt bevásárolnod. Néhány hét múlva egészen profin sasszézol már a sorok közt és tudod azt is, hogy a tömeget hogyan tudod kikerülni a legjobban. Sikerült optimalizálnod ezt a problémát.
Az optimalizációs problémákat általában egy “energia terep”-ként ábrázoljuk, mint ezen az ábrán. Itt a dombok magassága azt jelképezi, hogy egy adott konfigurációhoz mennyi energia/idő/pénz/stb. szükséges.
A fenti példában, a bevásárlásnál, egy nagyon cikkcakkos út, (és ezt most képzeld el), ahol úgy mész, hogy
tej ->krumpli ->joghurt -> paradicsom,
az sok időbe telik, szóval ez egy magas pont lesz a terepen. A sokkal gyorsabb út,
tej -> joghurt -> paradicsom -> krumpli
meg egy alacsonyabb pont lesz. Ez meg már egy lokális minimum, ugyanis akármelyik két tárgynak a sorrendjét megcseréled, nem lesz gyorsabb a bevásárlásod. A cél viszont a globális minimumot megtalálni, ami ez esetben az, hogy
paradicsom -> krumpli -> tej -> joghurt,
mivel a bolt elején található meg a paradicsom, a tejtermékek meg a bolt hátuljában. Ahhoz, hogy ide eljuss, ha egyenként csereberéled a tárgyak sorrendjét, át kell menned egy magasabb ponton a az energia-terepen. Ezt klasszikusan úgy oldjuk meg, hogy mesterségesen megengedjük, hogy ez néha megtörténjen random, de kicsi eséllyel.
Ezt a kvantumrendszerek viszont természetesen megcsinálják az alagutazással.
Ezzel bizony fel lehet gyorsítani az optimalizációt bizonyos esetekben, ha sok vékony magas dombocska van, mint ezen az ábrán.
És mivel az optimalizáció sok területen fontos módszer, ezért nagyon ígéretes a technológia; valahol reméljük fog tudni segíteni. Esetleg van neked is egy optimalizációs problémád, amit gyorsabban meg akarsz oldani, és
feles 4 millárd forintod? Vegyél egy kvantumszámítógépet!
Hiszed vagy sem, már van olyan cég, aki elad bárkinek egy kvantum számítógépnek nevezett fekete dobozt, csupán 4 milliárd forintért. Ez csupán az eheti 5-ös lottó főnyereménye. Úgyhogy hajra!
Ennek a fekete doboznak a legnagyobb része amúgy egy hűtőgép, ami hidegen tartja az agyat. Ha belekukkantanál a hűtőbe kb. ezt látnád:
Az agy az annak a baloldali lenyúló karnak a legalján található. Ahhoz ne nyúlj légyszi, ha veszel egy ilyet.
Ez most tényleg egy kvantumszámítógép?
Nem igazán. Legalábbis nem az a teljeskörű kvantumszámítógép, amivel a bitcoint fel tudod törni. A D-Wave inkább csak egy kvantum optimalizációs gép.
Állítólag egy sok qubit-ből összeállított konfigurációs térben kvantum alagutazással gyorsabban meg tudsz oldani bizonyos problémákat, mint hagyományos számítógépeken.
Ez sajnos nem igaz…
Miért? Mert még nem elég jó a technológia. Az elmélet szép és cuki, de nagyon zajosak a qubitek a számítógépben, és egyelőre még semmilyen algoritmikus gyorsulást nem sikerült kimutatni hagyományos optimalizációs megoldásokkal szemben. :/
Szóval egyelőre a 4 millárd forintodat költsd inkább egy házi szuperszámítógépre. Majd néhány év(tized) múlva vehetsz magadnak egy kvantumszámítógépet.
Ráadás: Hol máshol fordul még elő az alagutazás?
- Napsütés — a csillagok mag-fúzió hatására bocsátanak ki rengeteg energiát. Ez csupán annyit jelent, hogy két kis atom összeolvad egy nagyobba, és közben egy rakat energiát kilőnek a világűrbe (napsütés). Az összeolvadáshoz közel kell kerülniük egymáshoz. Viszont mindkét atommag pozitív töltetű, azaz nem szeretnek túl közel kerülni egymáshoz. Ezt az energia-gátat viszont néha- néha megugorják, amikor egymáshoz alagutaznak és azon nyomban összeolvadnak.
- Biológia — Ehhez nyílván kevésbé értek, de a Wikipédiáról lelestem, hogy pl. a genetikai mutációk gyakoriságát növeli (proton alagutazás), és a fotószintézisben és a sejti lélegzésben is segít többek közt.
- Számítógépek — A pendrive-odra alagutazás segítségével rakod fel a családi nyaralásról a fotókat. És annak segítségével is olvasod ki őket.
- Atomenergia — Az atommagoknak nem csak az egyesüléséhez, hanem a bomlásához is fontos az alagutazás. Ennek köszönhetően üzemel a paksi erőmű.
- Csúcstechnológia — Bizonyos mérő műszerek, elektronikai alkatrészek erősen használják az alagutazást. De ezek nagyon specifikus alkalmazások… ebbe nem megyünk bele.
Ha tetszenek a kvantum cirkálós cikkek, kövesd a facebook oldalt! :)
Kapcsolódó rövid cikk: https://www.theverge.com/2016/9/28/13057414/quantum-computer-d-wave-2000-qubit-chip
