Kubitti ja hobitti eivät liity mitenkään toisiinsa, mikä selviää meille Yllättävän yksinkertaista -podcastin kvanttitietokoneita käsittelevässä jaksossa. Teknologian tutkimuskeskus VTT:n tutkimuspäällikkö Pekka Pursula saapui studiolle selventämään, mitä kvanttitietokoneet ovat, mitä niillä oikeastaan voi tehdä ja missä kohtaa niiden kehityksessä liikutaan. Tämä artikkeli on tiivistelmä podcastista.
Tavallisella läppärillä hoituu netissä surffaaminen ja työt, mutta kun syntyy tarve analysoida todella suuria datamassoja tai tutkia fuusioreaktoreiden toimintaa, on supertietokone paikallaan. Supertietokonetta voikin ajatella superlaskukoneena, jolle tehdään tutkittavasta ongelmasta matemaattinen malli. Jos supertietokoneen teho pitäisi konkretisoida, niin esimerkiksi LUMI-supertietokoneen teho vastaa 1,5 miljoonan läppärin laskentatehoa.
Mutta mikä tulee sitten avuksi, kun edes supertietokoneen laskentavoima ei riitä?
”Kvanttitietokone on uudenlainen laskukone, joka pystyy ratkomaan tietynlaiset ongelmat vielä nopeammin kuin supertietokone. Kvanttikoneen laskentateho perustuu todennäköisyyksiin, joita lasketaan kubittien avulla”, kertoo Pekka Pursula, VTT:n tutkimuspäällikkö.
Tavallisista tietokoneista tuttujen bittien sijaan kvanttitietokoneen laskutoimituksissa hyödynnetään kubitteja. Yksi kubitti voi sisältää joko ykkösen, nollan tai ykkösen ja nollan superposition, jolloin kummankin toteutumiselle on oma todennäköisyytensä. Jos päätä alkaa huimaamaan jo tässä vaiheessa, et ole yksin. Pursula lausuukin lohduttavasti:
”Kvanttitietokonetta voi koittaa ymmärtää, mutta se ei välttämättä sovi arkijärkeen.”
Ajatuskoe auttaa hahmottamaan
Kvanttitietokoneen toimintaperiaatetta voi pyrkiä hahmottamaan Schrödingerin kissa -ajatuskokeen avulla: suljetussa laatikossa on kissa, sekä 50 prosentin todennäköisyydellä tilaan vapautuva astiallinen myrkkykaasua. Onko kissa elossa vai kuollut, kun laatikko avataan? Jos laatikon ja myrkyn vapautumisen toimintamekanismi on selvillä, voidaan laskea todennäköisyyksiä kissan tilasta. Laatikon ollessa kiinni voidaan puhua todennäköisyyksistä, kun taas avattaessa saadaan varmuudella tietää kissan tila.
”Tähän esimerkkiin voi ajatella kissan tilalle kubitin: ennen mittaamista kubitin tilaa lasketaan todennäköisyyksillä, kun taas mittaamisen jälkeen saadaan tietää, kummassa tilassa se on. Tämä ajatuskoe on myös hyvä esimerkki siitä, että Schrödingerille ei kannata antaa eläimiä hoidettavaksi”, Pursula hymähtää.
Suomessa tavoitellaan 50 kubitin tehoa jo vuonna 2024
Kvanttitietokoneen kehitys sai alkunsa 80-luvulla, jolloin ilmoille nousi teoria siitä, että kvanttifysiikan periaatteilla voisi rakentaa tietokoneen, joka toimisi eri tavalla kuin perinteinen tietokone. 90-luvun puolivälissä teoria astui kohti käytäntöä, kun Shorin algoritmin avulla kvanttitietokoneiden saralla tehtiin läpimurto. Kyseessä on algoritmi, jonka avulla suurien lukujen tekijät saadaan laskettua erittäin nopeasti. Vuonna 1998 valmistui ensimmäinen, 2-kubittinen kvanttitietokone.
”Tällä hetkellä olemme mielenkiintoisessa vaiheessa kvanttitietokoneiden kehityskaarta. Viimeisten 5–10 vuoden sisällä on siirrytty muutamien kubittien demonstraatioista muutamaan sataan kubittiin – ja nyt ruvetaan pääsemään käsiksi käytännön ongelmiin”, Pursula selittää.
VTT on rakentanut yhdessä kvanttialan startup-yrityksen IQM:n kanssa Suomen ensimmäisen toimivan kvanttitietokoneen, joka laskee tällä hetkellä viiden kubitin voimalla. Ensi kesänä kvanttitietokoneella tavoitellaan 20 kubitin tehoa ja vuonna 2024 tavoitteena on yltää jo 50 kubittiin. Pitäisikö siis kubittimäärien kertoa tavalliselle tallaajalle jotain tietokoneen tehosta?
”Kvanttitietokoneista puhutaan usein laskentayksiköiden, eli juuri kubittien, määrällä. Tämä kertoo, kuinka isoja ongelmia koneella voidaan ratkaista. Viidellä kubitilla voi testata yksinkertaisemman atomin energiatiloja ja opiskella kvanttitietokoneen käyttämistä. 20 kubitilla pystyy ratkomaan jo isompia ongelmia ja 50 kubitin kohdalla päihitetään jo supertietokone. Kubittien teho kasvaa myös eksponentiaalisesti, eli ero viiden ja 20 kubitin välillä on valtava”, Pursula tarkentaa.
Entä voiko kubitteja kaataa ämpäristä? Tämä ja muutamat muut kvanttitietokoneen salat selviävät kuuntelemalla Yllättävän yksinkertaista -podcastin jakson!
