Kvanttitietokoneet

Kvanttitietokoneet ovat olleet keskustelunaiheena teknologian julkaisuissa ja scifissä jo useiden vuosien ajan. Kvanttitietokoneesta on veikattu sekä maailman pelastajaa että mahdollisesti epäonnistuvaa uutta kuplaa. Mutta nyt muun muassa Googlen, Intelin ja useiden muiden tutkimusryhmien edistysaskelien myötä näyttää siltä, että ennennäkemättömän tehokkaat supertietokoneet ovat vihdoin ulottuvillamme jo kenties viiden vuoden sisällä.

Mikä kvanttitietokone?

Kvanttitietokoneen ytimenä on kvanttibitti eli kubitti. Se on informaation perusyksikkö, joka vastaa tavallisten tietokoneiden transistorien esittämiä ykkösiä ja nollia. Kubitit ovat paljon tehokkaampia kuin perinteiset bitit kahdesta tärkeästä syystä. Ensinnäkin ne voivat kuvata sekä ykköstä että nollaa samanaikaisesti, minkä lisäksi ne vaikuttavat toisiinsa kvanttikietoutumiseksi kutsutun ilmiön välityksellä. Tämän ansiosta kvanttitietokoneet voivat suorittaa tietynlaisia laskutoimituksia eräänlaisen oikoreitin kautta oikeaan tulokseen.

Lähellä nollapistettä

Alankomaissa sijaitsevan QuTech-tutkimuslaitoksen tiloissa sijaitseva laboratorio pitää sisällään yhden kehittyneimmistä kvanttitietokoneista, mutta tila näyttää enemmänkin ilmastointijärjestelmien testilaboratoriolta. Delftin teknillisen yliopiston sovelletun tieteen rakennuksen hiljaisessa nurkkauksessa sijaitseva tila on tyhjä ihmisistä. Huoneessa on suuria sinisiä sylintereitä, joista pistää esiin lämpöeristettyjä putkia ja johtoja sekä ohjauselektroniikkaa.

Nämä siniset sylinterit ovat käytännössä eräänlaisia turboahdettuja pakastimia. Niiden sisällä risteilevät nanojohdot ja suprajohteet ovat vain hiuksenhienosti absoluuttista nollapistettä lämpimämmässä tilassa. Täällä fysiikan lakien rajamailla kiinteä aine antaa tilaa niin kutsutuille kvasipartikkeleille, joiden epätavallinen käyttäytyminen mahdollistaa niiden käyttämisen kvanttitietokoneiden avainkomponentteina. Erityisesti tämä laboratorio on ottanut suuria kehitysaskeleita kvanttitietokoneiden kehittämisen eteen. Muutaman vuoden kulutta ne voivat mullistaa salauksen, materiaalifysiikan, lääketieteellisen tutkimuksen sekä tekoälyn kehityksen.

Kvanttitietokoneet nousevat joka vuosi ehdokkaiksi mahdollisten tieteellisten läpimurtojen listalla, ja joka vuosi olemme päätyneet samaan lopputulokseen: ei vielä. Vuosien ajan kubitit ja kvanttitietokoneet ovat olleet olemassa ainoastaan paperilla tai varovaisina kokeina. Vuonna 2017 saatiin kuitenkin rakennettua ennen pelkästään teoreettisena pidettyjä malleja. Myös Googlen, IBM:n, Intelin ja Microsoftin kaltaisten teknologiayhtiöiden tarjoaman rahoituksen määrä on noussut. Rahoitusta tarvitaan tutkimuksen ja kehitystyön lisäksi myös varsinaisen toimivan laitteen valmistamiseen, mikroelektroniikkaan, monimutkaisiin piirilevyihin ja ohjelmistoihin.

Herkät kubitit

Microsoftille työskentelevän professori Leo Kouwenhovenin Delftin yliopistossa johtaman projektin tarkoituksena on päästä yli yhdestä kvanttitietokoneiden kehitystä jo pitkään estäneestä ongelmasta, joka on ollut kvanttitiedon perusyksiköiden kubittien äärimmäinen häiriö- ja virheherkkyys. Että kubitit toimivat käytännössä, niiden täytyy saavuttaa kvanttisuperpositio, jossa systeemi voi olla useassa tilassa yhdellä kertaa, sekä kubittiparien on oltava linkittyneinä niin, että toisen kubitin vaikutus välittyy välittömästi toiseen, vaikka ne olisivat fyysisesti erossa toisistaan. Nämä äärimmäisen herkät olosuhteet häiriintyvät helposti pienestäkin ympäristövaikutuksesta, kuten värinästä tai muuttuvasta sähkökentästä.

Tutkijat ovat puineet tätä ongelmaa on jo kauan aikaa, kun he ovat yrittäneet rakentaa kvanttitietokoneita, joiden laskentakyky voisi auttaa ratkaisemaan ongelmia, jotka ovat aivan liian monimutkaisia nykyaikaisille parhaille tietokoneille. Mutta nyt tutkimusryhmä uskoo, että he pystyvät lopulta luomaan suojattuja kubittejä, jotka olisivat vakaita kuin naruun solmitut solmut. Vaikka tätä kuvainnollista narua liikuteltaisiin tai vedettäisiin, solmut – eli tässä tapauksessa informaatio – säilyisivät muuttumattomina. Tällainen vakaus sallisi kvanttitietokoneiden skaalaamisen ylöspäin, kun virheenkorjaukseen vaadittavan laskentatehon tarve laskisi merkittävästi.

Tutkijoiden työ perustuu sellaisten ainutlaatuisten kvasipartikkeleiden manipuloimiseen, joita ei oltu vielä edes löydetty ennen vuotta 2012. Ja tämä on vain yksi monista vakuuttavista edistysaskeleista, joita alalla on otettu. Samassa laboratoriossa on Intelin rahoittamassa tutkimuksessa pystytty valmistamaan kvanttipiirilevyjä tavallisille piikiekoille.

Kvanttitietokoneet soveltuvat erityisesti hyvin suurten lukujen laskemiseen, monimutkaisten optimointiongelmien ratkaisemiseen sekä koneoppimisen algoritmien luomiseen. Luultavasti niitä tullaan käyttämään kehityksen myötä sellaisiin sovelluksiin, joista kukaan ei ole vielä osannut edes kuvitella.