Kvanttitietokone – Kvantti? Kubitti? Superpositio?

Miten teoria kvanttitietokoneesta syntyi?

Vuonna 1959 Richard Feynman huomasi, että mitä pienemmäksi (elektroniikan) osat menevät, sitä merkittävämmin kvanttimekaniikan ilmiöt tulevat esiin. Kovin juttu hänen löydöksissään oli ns. superposition mahdollisuus, josta tutkijat kohisivatkin aikoinaan kilpaa. Se nimittäin mahdollistaisi julmetun tehokkaiden tietokoneiden rakentamisen. Teoria oli kuitenkin spekulointia reilut kaksikymmentä vuotta aina 1980-luvulle asti, jolloin Feynmanin ajatukset muuttuivat konkreettisemmaksi teoriaksi kvanttitietokoneista ja niiden simuloinnista.

Superpositio, kubitti ja kvantti? 

Superpositio tarkoittaa, että objektilla ei (välttämättä) ole selkeästi määriteltyä tilaa. Perinteisen tietokoneen bitti joko on tai ei ole (1 tai 0), kun taas kvanttitietokoneen peruselementti – kubitti – on (ehkä) molemmat samalla kertaa eli se on superpositiossa. Vähän sama kuin treenaisi ja nukkuisi yhtaikaa keräten molempien hyödyt kerralla. Sittemmin tutkijat ovat kehittäneet supertiheän koodin nimellä kulkevan menetelmän, joka lomittaa kubitteja. Silloin yksi kubitti onkin kuin kaksi kubittia kerralla. Juoksisi, nostaisi puntteja, opiskelisi ja nukkuisi. Kaikki yhtaikaa. Kvanttitietokone pystyy siis superposition avulla tarkastelemaan kaikkia tiloja kerralla, ei peräkkäin kuten perinteinen tietokone. 

Nenäsi edessä on todennäköisesti 64-bittinen perinteinen tietokone. Mitä jos siinä olisikin 64-kubittinen kvanttiläppäri?  

Ensimmäisen Intelin mikroprosessori oli 4-bittinen, sellaisen yksi rekisteri piti sisällään yhden kuudestatoista numerosta kerrallaan. 4-bittinen kvanttikone on kaikki kuusitoista numeroa samalla kertaa. 40-(ku)bittinen kvanttikone olisi yhtä tehokas kuin tehokkaimmat nykyiset supertietokoneet. Jos pohdit hetken tehoeroa, niin nenäsi edessä on todennäköisesti 64-bittinen perinteinen tietokone. Mitä jos siinä olisikin 64-kubittinen kvanttiläppäri?  

Missä mennään nykyhetkellä?

Kvanttiläppäreihin on vielä matkaa, mutta ensimmäisiä kvanttitietokoneita löytyy jo markkinoilta. Kanadalainen D-Wave toi ensimmäisen kaupallisen kvanttikoneensa markkinoille 2011 noin kymmenen miljoonan dollarin hintaan. Se oli silloin 128-kubittinen. Vuonna 2013 sama yritys julkaisi 512-kubittisen koneen. Jotain sen kyvystä kertoo, että se toimii 3600 kertaa tehokkaammin kuin tehokkain perinteinen supertietokone, kunhan siinä ajetaan sitä varten viriteltyä optimointialgoritmia. Sadalla parametrilla se suoriutuu optimointiratkaisusta puolessa sekunnissa, kun perinteisemmällä koneella menee samaan puoli tuntia. Viime vuoden alussa D-Wavelta tuli 2048-kubittinen kone markkinoille. Yritykseltä löytyy myös ensimmäinen pilvipohjainen kvanttitietokone LEAP. (Okei, heidän koneensa eivät ole täydellisiä kvanttitietokoneita, koska ne keskittyvät vain yksittäisten optimointiongelmien ratkaisuun kvantteja soveltaen.) 

D-Waven koneet siis soveltavat eivätkä ole "täydellisiä" kvanttitietokoneita. Jotain yllä oleva vertailu kuitenkin kertoo niiden potentiaalista. Tällä hetkellä kvanttitietokone on suunnilleen samalla tasolla perinteisen tietokoneen kanssa tehoja vertailtaessa. Fysiikan ilmiöt tulevat vielä vastaan, stabiilia kvanttitietokonetta on vaikea rakentaa. Kubitit ovat niin nirsoja toimimaan, että lopputulos pitää varmistaa lukuisia kertoja yhden laskutoimituksen aikana. Tämä johtuu siitä, että ne ovat herkkiä ulkoisille häiriötekijöille. Esimerkiksi D-Waven koneet jäädytetään absoluuttisen nollapisteeseen (-273 astetta celsiusta), jotta niistä saadaan toimintavarmempia. 

IBM on juuri julkaissut Q System One -kvanttitietokoneen: Se on kokeiluasteella oleva 20-kubittinen kvanttitietokone. Lähinnä symboli eikä läpimurto, sillä se on soveltava kvanttitietokone kuten D-Waven vastaavat. Muutkin isot toimijat tuovat näitä näennäisiä kvanttikoneita julki lähivuosina. Mielestäni tämä osoittaa, että todelliset kvanttitietokoneet ovat tulossa pienen välivaiheen jälkeen.

Käytetäänkö kvanttitietokoneita maapallon pelastamiseen vai tuhoamiseen?

Kvanttiylivaltaa

Googlen mielestä ideaalissa kvanttitietokoneessa on muutama sata miljoonaa kubittia ja virhemarginaali alle 0,01 %. Heidän arvionsa mukaan tällaisen koneen rakentamiseen menee vielä muutama vuosikymmen.  

Tilanne on sama kuin tekoälyn kohdalla, meillä on heikon tekoälyn ratkaisuja olemassa mutta vahva (inhimillinen, tiedostava) tekoäly puuttuu. Ehkäpä vahva tekoäly tarvitsee kvanttinsa läpimurtoa varten? Kvanttitietokoneiden osalta asiantuntijat ovat sitä mieltä, että 2020-luvulla rakennetaan ensimmäiset yksinkertaisemmat ei-soveltavat kvanttitietokoneet. 

Mitä siitä seuraa, kun ensimmäiset todelliset kvanttitietokoneet julkaistaan? Puhumattakaan Googlen ideaalista versiosta? Käytetäänkö kvanttitietokoneita maapallon pelastamiseen vai tuhoamiseen? Ensimmäinen, pelottava ajatus tulevaisuudesta on se, että nykyiset kryptografian metodit tulisivat kvanttikoneiden myötä hyödyttömiksi. Salausavainten murtaminen olisi yhtä helppoa kuin risun katkaiseminen. Mitä tapahtuisi lohkoketjuille?  

Olisi kuitenkin mukavampaa, jos uudenlaisten supertietokoneiden avulla pelastettaisiin maailmaa. Löydettäisiin vaikkapa uusia lääkkeitä ja ratkaisut ilmastonmuutoksen torjumiseen. Kvanttitietokoneista löytyy potkua ratkaista ongelmat tunneissa, ongelmat joiden ratkaisemiseen menee nykyisillä supertietokoneilla satoja vuosia. 

Testaa uusia liiketoimintaideoita ja teknologioita CGI:n NextLabissa

NextLabissa tutkimme tulevaisuuden trendejä ja niihin liittyviä teknologioita sekä koeponnistamme uusista ideoista projekteja nopeasti ja kustannustehokkaasti, olipa kyse sitten kvanttitietokoneista tai kuluttajan tunteiden tulkitsemisesta. 

NextLab tarjoaa valmiin ympäristön sekä asiantuntijuuden uusien teknologioiden testaamiseen. Käy tutustumassa NextLabiin ja ota yhteyttä, niin keskustellaan lisää liiketoimintasi tulevaisuudesta.