Nykyiset kvanttitietokoneet ovat isoja ja monimutkaisia laitteita. Ne kuluttavat myös valtavasti sähköä kvanttisirujen jäähdyttämiseen lähes absoluuttiseen nollapisteeseen.

© Google

Kvanttisiru tekee nykytietokoneista museotavaraa

Viime vuonna Googlen kokeellinen kvanttitietokone suoritti neljässä minuutissa laskutehtävän, jonka tekemiseen tehokkaimmilta tavanomaisilta tietokoneilta menee 10 000 vuotta. Läpimurron uskotaan nopeuttavan varsinaisen kvanttitietokoneen kehittämistä. Sitä odottavat niin lääketeollisuus ja tekoälyn kehittäjät kuin tähtitieteilijätkin.

Vuonna 2012 yhdysvaltalainen fyysikko John Preskill esitteli käsitteen quantum supremacy eli kvanttiylivalta. Hän määritteli sen hetkeksi, jolloin kvanttitietokoneet pystyvät tekemään kaikkea sitä, mihin tavalliset tietokoneet eivät kykene.

Seitsemän vuotta myöhemmin syksyllä 2019 Googlen Sycamore-kvanttisuorittimeen perustuva tietokone saavutti Preskillin asettaman tavoitteen. Sycamore ratkaisi 200 sekunnissa laskutehtävän, joka matemaatikkojen mukaan on niin visainen, että siihen menisi maailman tehokkaimmalla tavanomaisella supertietokoneella, IBM:n Summitilla, 10 000 vuotta. Google Sycamore oli siis 158 miljoonaa kertaa kertaa niin nopea kuin tehokkain supertietokone.

Kiinalainen [Zuchongzhi-kvanttitietokone](https://arxiv.org/pdf/2012.01625.pdf {"target":"_blank"}) on nimetty 400-luvulla eläneen matemaatikon mukaan. Zu Chongzhi laski piin likiarvon niin tarkasti, että ennätystä ei rikottu 800 vuoteen.

© Han-Sen Zhong et al., arXiv

Kiinan kvanttitietokone syrjäytti Googlen kvanttitietokoneen

Kiinalaistutkijat ovat kehittäneet kvanttitietokoneen, joka syrjäytti Googlen Sycamoren maailman tehokkaimpana kvanttitietokoneena.

Kiinalaisten Zuchongzhi nousi maailman tehokkaimmaksi kvanttitietokoneeksi, sillä se suoritti 100 kertaa niin haastavan laskutoimituksen kuin Googlen kone.

Googlen kvanttitietokoneessa on 54 kubittia, kiinalaiskoneessa taas 66 kubittia.

Kvanttitietokone käyttää matemaattisten pulmien ratkaisuun kvanttimekaniikan pelisääntöjä. Sen laskentanopeus ylittää useimpien ihmisten käsityskyvyn. Kvanttimekaniikka on fysiikan osa-alue, joka käsittelee atomia pienempiä hiukkasia, kuten fotoneja, elektroneja ja atomiytimen alkeishiukkasia.

Alkeishiukkaset ovat maailmankaikkeuden pienimpiä osasia. Niiden käyttäytyminen ei vastaa maallikon arkiymmärrystä. Kaksi alkeishiukkasta voi esimerkiksi olla sidoksissa toisiinsa, vaikka niiden välillä olisi iso välimatka, ja sama alkeishiukkanen voi olla kahdessa paikassa yhtä aikaa.

Kvanttitietokoneen avulla voidaan jäljitellä luonnollisia fyysisiä ja kemiallisia prosesseja atomitasolla. Se auttaa tutkijoita kehittämään esimerkiksi uusia tehokkaampia lääkkeitä ja suprajohtavia aineita, joissa sähkö kulkee ilman hävikkiä.

Kvanttitietokoneille ennakoidaan loistavaa tulevaisuutta, mutta suuren läpimurron tiellä on vielä esteitä, jotka pitää raivata pois.

Googlen Sycamore ei ole isompi kuin tavallisten tietokoneiden suorittimet. Jotta Sycamoren 53 kubittia voivat toimia, siru pitää panna kullasta ja kuparista tehtyyn koteloon, jossa se jäähdytetään lähes absoluuttiseen nollapisteeseen (-273,15 astetta).

© Google

Kubitit voivat olla kaikkialla yhtä aikaa

Kvanttitietokoneiden laskentatehon perustana ovat niin sanotut kvanttibitit eli kubitit. Tavanomaisessa tietokoneessa tieto on bitteinä. Bitillä voi olla kaksi arvoa: 0 tai 1. Neljä bittiä voi siis muodostaa 16 erilaista tietoyhdistelmää: 0000, 0001, 0010 ja niin edelleen. Tavallinen tietokone pysyy kuitenkin käsittelemään vain yhtä tällaista yhdistelmää kerralla.

Kubitilla voi olla kumpikin arvo, eli 0 ja 1, yhtä aikaa. Tätä kutsutaan superpositioksi. Siksi kvanttitietokone voi käsitellä kaikkia 16:ta tiedon yhdistelmää yhtä aikaa. Jokainen tietokoneeseen lisätty kubitti kasvattaa tietokoneen laskentatehoa eksponentiaalisesti. Kvanttitietokone, jossa on 300 kubittia, voi periaatteessa suorittaa samanaikaisesti enemmän laskutoimituksia kuin maailmankaikkeudessa on atomeja.

Bitti eli 0 tai 1 on peräisin binaarisesta lukujärjestelmästä, johon tietokoneet ovat perustuneet siitä lähtien, kun ne olivat huoneen kokoisia ja niissä käytettiin radioputkia transistorien asemesta.

Jotta binaarilukuja voidaan käyttää tietokoneessa, ne ovat muutettava fyysiseen muotoon. Tietokoneen mikrosirussa ykköstä ja nollaa vastaa transistori, joka avaa tai sulkee virtapiirin. Avoinna oleva transistori vastaa ykköstä ja suljettu transistori nollaa. Mitä enemmän transistoreja mikrosirulla on, sitä suurempaa tietomäärää tietokone voi käsitellä samanaikaisesti. Nykyaikaisissa mikrosiruissa on miljoonia transistoreja.

Tavallisessa tietokoneessa tieto on bitteinä, joiden arvo on joko 1 tai 0. Kvanttitietokone toimii kvanttimekaniikan sääntöjen mukaan, eli siinä 1 ja 0 voivat olla voimassa yhtä aikaa. Tätä kutsutaan superpositioksi. Siksi kvanttitietokone voi tehdä valtavan määrän laskutoimituksia yhtä aikaa.

©

Kone ajattelee ykkösiä ja nollia

Tavallinen tietokone ajattelee bitteinä. Bitti on tietokoneen pienin laskettava yksikkö. Se voi olla 0 tai 1. Tavu eli byte koostuu kahdeksasta bitistä, joista kukin voi olla 0 tai 1, esimerkiksi 10001101.

©

Kubitti on kaikkialla samaan aikaan

Kvanttitietokone ajattelee kvanttibitteinä eli kubitteina. Kubitti voi olla 0 tai 1 tai molempia yhtä aikaa. Tällaista tilannetta kutsutaan superpositioksi. Sellainen on mahdollista kvanttimekaniikan maailmassa.

©

Neljästä bitistä saa 16 eri arvoa

Tavallisella tietokoneella voidaan luoda neljästä bitistä 16 erilaista yhdistelmää, joilla kullakin on eri arvo. Useimmat nykytietokoneet toimivat 34:llä tai 62 bitillä. Niillä saadaan miljardeja erilaisia arvoja.

©

Neljästä kubitista saa 16 arvoa

Kvanttitietokoneen neljä kubittia luovat myös 16 eri arvoa. Jokainen lisätty kubitti kuitenkin kaksinkertaistaa niiden arvojen lukumäärän, joita kone voi käsitellä kerralla. 300 kubittia voidaan yhdistellä usemmaksi arvoksi kuin maailmankaikkeudessa on atomeja.

©

Tietokone käsittelee tiedon palasina

Tavallisen tietokoneen mikrosiru käsittelee periaatteessa kerralla vain yhtä arvoa. Se voi olla esimerkiksi 0100. Tietokone voi silti olla nopea. IBM:n Summit suorittaa 200 miljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

©

Superpositio antaa kvanttitietokoneelle valtavan laskentatehon

Kvanttitietokone voi laskea kaikilla 16 arvolla yhtä aikaa. Tämän mahdollistaa kubitin kvanttitila, jota sanotaan superpositioksi. Se antaa kvanttitietokoneelle lähes käsittämättömän laskentatehon.

Kvanttisiru toimii vain kovassa pakkasessa

Googlen kvanttitietokoneen ydin on suoritin nimeltään Sycamore. Kilpailija IBM on antanut omalle kvanttitietokoneelleen nimen IBM Q System One. Ne molemmat perustuvat mikrosiruihin. Siruissa ei kuitenkaan ole miljoonia transistoreja, vaan niiden ytimenä on pieni joukko kubitteja. Sycamoressa on yhteensä 53 kubittia ja IBM Q System Onessa 20.

Kubitit valmistetaan niobium-nimisestä alkuaineesta ja upotetaan piisirulle. Piistä tehdään myös tavanomaisten tietokoneiden mikrosirut.
Niobiumista tehtyjen elektrodien välille pannaan alumiinioksidista koostuva kalvo, jolloin syntyy niin sanottu Josephsonin liitos. Sen avulla voidaan luoda kvanttimekaaninen superpositio. Josephsonin liitos syntyy vain, jos aine on suprajohtavaa eli sähkö kulkee siinä vastuksetta.

Koska kvanttimekaaniset ominaisuudet tulevat esiin vain atomia pienemmissä kokoluokissa, kubiteissa ei saa olla pienimpiäkään häiriötekijöitä. Yksikin atomi, ilmahiukkanen tai fotoni voi häiritä kubittia niin, että superpositio kumoutuu.

Tämä aiheuttaakin isoja haasteita, jotka on voitettava, jotta saadaan aikaan toimisto- ja kotikäyttöön soveltuva kvanttitietokone nykyisten tietokoneiden tilalle.

Sekä IBM:n että Googlen kvanttisirut ovat kulta- ja kuparikomponenteista tehdyssä kotelossa ison pakastimen pohjalla. Pakastin jäähdyttää sirun lähes absoluuttiseen nollapisteeseen eli -273,15 asteen tienoille. Siinä lämpötilassa superpositio ei häiriinny.

Superposition herkkyys selittää myös sen, miksi kvanttitietokoneissa on toistaiseksi vain vähän kubitteja. Mitä enemmän kubitteja on samassa paikassa, sitä vaikeampi superpositiota on ylläpitää, koska ulkopuolelta tulevien sähköisten häiriöiden riski kasvaa.

Kotien kvanttiloikkaan on vielä matkaa

Vaikka Googlen ja IBM:n kvanttitietokoneiden kehitystyö etenee hyvää vauhtia, kestää vielä kauan, ennen kuin kvanttitietokoneista tulee tavallisia kodinkoneita.

Kotikäyttöön tarkoitettujen laitteiden pitää todennäköisesti toimia tavallisessa huonelämpötilassa. Toistaiseksi kvanttitietokone vaatii satojen asteiden pakkasen. Lisäksi Googlen Sycamore päihitti tavanomaisen supertietokoneen vain yhdessä laskutoimituksessa, joka oli varta vasten kehitetty tätä kilpailua silmällä pitäen.

Seuraava suuri tavoite onkin saada kvanttitietokone ratkaisemaan jokin yleisestä näkökulmasta hyödyllinen tehtävä. Jotta siihen päästään, kvanttitietokoneessa pitäisi olla tuhansia tai ehkä jopa miljoonia kubitteja, arvioivat tutkijat. Sellaisen koneen rakentaminen on vaikeaa, sillä esimerkiksi Googlen ja IBM:n kvanttikoneiden rakenne on kuin korttitalo, joka voi romahtaa pienestäkin ulkopuolisesta häiriöstä.

Kolmas tietotekniikan jättiläinen, Microsoft, saattaa olla ratkaisun jäljillä. Se kehittelee niin sanottua topologisten kvanttibittien piiriä, jonka avulla kvanttitietokone voidaan rakentaa nykyistä suuremmaksi heikentämättä sen vakautta. Microsoft itse vertaa topologista ratkaisuaan legopalikoihin, jotka kiinnittävät kubitit toisiinsa.

Vielä on mahdotonta sanoa, tekeekö lopullisen kvanttitietotekniikan läpimurron Microsoft, Google, IBM vai joku aivan muu. Kilpailu kvanttitietokoneiden saamiseksi pois laboratorioiden satojen miinusasteiden pakkasesta käy kuitenkin jo kuumana.