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.
Nykyiset kvanttitietokoneet ovat isoja ja monimutkaisia laitteita. Ne kuluttavat myös valtavasti sähköä kvanttisirujen jäähdyttämiseen lähes absoluuttiseen nollapisteeseen.
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 on nimetty 400-luvulla eläneen matemaatikon mukaan. Zu Chongzhi laski piin likiarvon niin tarkasti, että ennätystä ei rikottu 800 vuoteen.
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.
Tapaa tutkijat, jotka tekivät kvanttiylivallasta mahdollista. Tällainen on Sycamore-kvanttisuorittimella toimiva tietokone, joka löi laudalta maailman tehokkaimman supertietokoneen.
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).
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.
Kvanttitietokone tekee montaa asiaa 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 32:llä tai 64 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.
Kylmä pitää kubitit laskukunnossa
Lähes 300 miinusasteen pakkanen tarvitaan, jotta kvanttisirun kubitit pysyvät superpositiossa. Kylmyys estää pienimpiäkin ilmahiukkasia ja fotonejakin pääsemästä häiritsemään kubitteja.
Pakastin vahvistaa kubitin signaalia
Kvanttipakastimen yläosassa lämpötila on neljä kelviniä eli neljä astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Hyytävää kylmyyttä ylläpitävä pakastin on toinen kahdesta komponentista, jotka vahvistavat kvanttitietokoneen suorittimeen meneviä ja sieltä lähteviä signaaleja.
Mikroaallot vaimentavat sähköiset häiriöt
Kubitit ovat äärimmäisen herkkiä ulkoa tuleville häiriöille. Yksittäinen fotoni tai ilmahiukkanen voi kumota kubitin superposition niin, että se ei pysty tekemään laskutoimituksia. Kubittien työrauha varmistetaan mikroaalloilla, jotka vaimentavat häiritsevät ulkopuoliset sähköiset signaalit.
Helium tuottaa äärimmäisen pakkasen
Kvanttitietokoneen suoritin jäähdytetään 15:n asteen tuhannesosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä seoksella, jossa on kahta heliumisotooppia: helium-3:a ja helium-4:ää. Heliumseos kiertää jäähdytysputkessa.
Nikkelikilpi suojaa säteilyltä
Kvanttitietokoneen suoritin on suojattu Cryoperm-seoksesta tehdyllä kilvellä. Cryoperm sisältää pääosin nikkeliä. Valo- ja ilmatiivis kilpi estää myös säteilyä pääsemästä suorittimeen.
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.