Ensinnäkin: onnea, olet selvittänyt tiesi tämän kurssin kvanttimekaniikan osuuden viimeiseen kysymykseen! Nyt sinulla saattaa olla jo jonkinlainen käsitys kvanttimekaniikan käsitteistä ja ilmiöistä. Ei kuitenkaan hätää, vaikka et ymmärtäisikään kaikkea — pääasia, että hahmotat pääpiirteittäin, mistä kvanttimekaniikassa on kyse ja tunnet sen peruskäsitteet. Tässä kysymyksessä nidomme yhteen aiemmin oppimasi tiedot käsittelemällä mediassakin paljon esillä esiintynyttä kvanttimekaniikan sovellusta, kvanttitietokonetta.

Kerrataanko ensin ihan tavallisen tietokoneen toimintaan?

Tavallisen tietokoneen toimintahan perustuu bitteihin, jotka voivat saada arvon 0 tai 1. Biteistä voidaan muodostaa monimutkaisempia binäärilukuja eli vain numeroita 0 ja 1 sisältäviä lukuja, joiden avulla varsinainen tieto voidaan tallentaa. Käytännössä bitit ovat tietokoneen sisällä olevia, hyvin pieniä elektronisia osia, joissa sähkövirta joko kulkee (= bitin arvo 1) tai ei kulje (= bitin arvo 0).

Kuva 1. Tavallisen tietokoneen sisältämää elektroniikkaa.

Tietokone suorittaa kaikki tehtävänsä käyttäen bittejä ja muuntaa informaation pikseleiden kautta näytölle meidän nähtäväksemme. Mitä tahansa tietokoneella teetkin — liikutat hiirtä, kirjoitat tekstiä, prosessoit monimutkaisia laskuja — koneelle se on vain bittien siirtelyä eli sähkövirran kulkemisen muuttelua. Esimerkiksi kirjaimen A tietokone esittää binäärilukuna 01000001 jossakin tietokoneen muistipiirien syövereissä.

Miten kvanttitietokoneen toiminta sitten eroaa tavallisen tietokoneen toiminnasta?

Kvanttitietokone käyttää bittien sijaan kvanttibittejä eli kubitteja (engl. quantum bits eli qubits), jotka hyödyntävät kvanttimekaanista superpositiota. Siinä missä bitin arvo voi olla joko 0 tai 1, kubitti voi näiden kahden arvon lisäksi olla jotain siltä väliltä eli ykkösen ja nollan superpositio. Aiemmista kysymyksistä tutulla tavalla superpositio voidaan esittää matemaattisesti yhtälönä $|\psi\rangle=a|0\rangle+b| 1 \rangle$. Jos kubitteja on kaksi tai useampia, ne voidaan lomittaa, jolloin kahden tilan superpositiossa olevat kubitit ovat toisiinsa kytkettyjä. Fyysisesti kubitit ovat joko hiukkasia tai esimerkiksi suprajohteesta valmistettuja komponentteja. Suprajohtavilla piireillä tarkoitetaan sähköpiirejä, joissa ei ole sähkönvastusta. Tällaisia piirejä voi rakentaa tietyistä materiaaleista, kun niiden lämpötilaa laskee riittävästi. Suprajohtavilla komponenteilla kubitin arvo on koodattu sähkön värähtelyyn piireissä. Kubitti on tilassa 0, kun sähkö värähtelee suprajohtavassa piirissä pienimmällä mahdollisella energialla. Kubitti on tilassa 1, kun siinä on yksi värähtelykvantti. 

Kuva 2. Kvanttitietokoneen kubitit voidaan toteuttaa fyysisesti esimerkiksi suprajohtavuutta hyödyntävällä ns. Josephsonin liitoksella.

Kvanttitietokoneen suuri laskentateho perustuukin juuri kubittien superpositioon eli toisin sanoen koneen tilojen suureen lukumäärään. Tavallisessa tietokoneessa kaksi bittiä voidaan esittää neljällä eri tavalla: 00, 01, 10, 11. Kvanttimekaanisen superposition ansiosta kaksi lomittunutta kubittia voi olla kaikissa näissä tiloissa samanaikaisesti, jolloin niiden tila on $|\psi \rangle= c_{00}|00\rangle +c_{01}|01\rangle +c_{10}|10\rangle +c_{11}|11\rangle$. Vastaavasti kolmesta klassisesta bitistä voi muodostaa kahdeksan erilaista yhdistelmää, mutta kolmen kubitin systeemi voi olla näiden kahdeksan tilan superpositiossa. Tästä seuraa, että $n$:n bitin tilan kuvaamiseen tarvitaan $n$ bittiä, mutta $n$:n kubitin tilan kuvaamiseen tarvitaan $2^n$ bittiä. Luku $2^n$ on seurausta siitä, että yksi kubitti voi olla molempien bittitilojen superpositiossa. Esimerkiksi klassinen tietokone tarvitsee kahdeksan bittiä esittääkseen mitä tahansa lukua väliltä 0-255. Kvanttitietokoneelle riittää sama kahdeksan kubittia esittämään kaikkia lukuja välillä 0-255 ja vielä samanaikaisesti. Muutama sata lomittunutta kubittia riittäisi esittämään enemmän lukuja kuin mitä universumissa on atomeja.

Kuva 3. Kahden kubitin yhdistelmä voidaan esittää neljällä eri tavalla, kolmen bitin yhdistelmä kahdeksalla eri tavalla ja neljän kubitin yhdistelmä 16 eri tavalla. Kun kubittien määrä kasvaa, tilojen määrä kasvaa eksponentiaalisesti. Samalla tavalla kasvaa myös kubitteja vastaavien bittien määrä.

Kuten kysymyksessä Miten Schrödingerin kissa voi olla samaan aikaan elossa ja kuollut, vai voiko? opimme miten hiukkasen tila romahtaa mittauksen yhteydessä ja tilojen välinen superpositio lakkaa olemasta. Sama ilmiö koskee myös kubitteja: kun kubitin arvo mitataan, kubitin superpositiotila romahtaa ja mittaustulos on joko 0 tai 1. Mittauksen yhteydessä kubitti siis käyttäytyy kuten tavallinen bitti. Superposition romahtamisella on keskeinen vaikutus kvanttitietokoneen tehokkuuteen: laskutoimituksia voidaan suorittaa vain yksi kerrallaan.

Tuohan kuulostaa epäkäytännölliseltä. Mitä hyötyä kvanttitietokoneesta sitten on?

Superposition romahtamisesta johtuva rajoitus rinnakkain laskettavien laskujen määrään tosiaan on yksi kvanttitietokoneiden merkittävistä rajoituksista. Tärkeää onkin muistaa se, että superposition ja lomittumisen ansiosta sama lasku voidaan suorittaa monilla eri luvuilla samanaikaisesti, mikä tekee kvanttitietokoneesta tavallista tietokonetta tehokkaamman. Usein kerrotaan, että kvanttitietokoneet saavat tehokkuutensa yrittämällä kaikki mahdolliset vastaukset ongelmaan samanaikaisesti. Näin ei asia silti aivan ole. Todellisuudessa kvanttitietokone hyödyntää lomittumista ja kubittien superpositioon liittyviä todennäköisyyksiä. Kvanttitietokone käyttää kvanttialgoritmeja suorittaakseen sarjan operaatioita siten, että tietyt, oikeiden vastausten todennäköisyydet jatkuvasti paranevat ja väärien vastausten todennäköisyydet jatkuvasti pienenevät. Näin laskuprosessin edetessä oikea vastaus ikään kuin seuloontuu ulos. Kvanttitietokoneet erottuvatkin klassisista tietokoneista juuri niiden tavalla hyödyntää todennäköisyyksiä ja lomittumista. Olennaista on myös ymmärtää, että kvanttitietokoneet tarjoavat valtavia nopeuksia todennäköisesti vain tietyntyyppisiin ongelmiin. Jäljelle jää paljon ongelmia, joita klassiset tietokoneet tulevat edelleen ratkomaan kvanttitietokoneita tehokkaammin. Siten tulevaisuuden tietokoneet saattavat olla hybridikoneita, jotka sisältävät sekä klassisia että kvanttibittejä. 

Suurta laskentatehoa tarvitaan esimerkiksi tekoälyn optimoinnissa sekä molekyylien ja kemiallisten reaktioiden mallintamisessa. Lisäksi kvanttilaskennan avulla pystytään ratkaisemaan ihmiskunnan suurimpia ongelmia lääketieteestä ilmastonmuutokseen. Myös yritykset tulevat hyötymään kvanttilaskennasta. Lentoreittien suunnittelu ja suurten kuljetusfirmojen parhaiden toimitusreittien määrittäminen hyödyntää kvanttilaskentaa. Autoteollisuudessa esimerkiksi BMW ja Volkswagen ovat jo hyödyntäneet kvanttilaskentaa alihankintaketjujen ja liikenteen optimoimiseen. Monimutkaisten ongelmien laskemiseen menisi tavallisilta tietokoneilta tuhottomasti aikaa (ongelmasta riippuen voidaan helposti puhua ihmisen tai universumin eliniän ylittävistä ajoista), mutta kvanttitietokone mahdollistaisi ratkaisun saamisen huomattavasti nopeammin. 

Käynnissä on kilpajuoksu siitä, kuka onnistuu kehittämään kvanttitietokoneen, joka pystyy entistä selvemmin suoriutumaan tavalliselle tietokoneelle mahdottomasta tehtävästä. Tästä niin sanotusta kvanttiherruudesta kilpailevat erityisesti suurimmat kvanttitietokoneiden kehittäjät, Google ja IBM. Vuonna 2019 Googlen kehittämä kvanttitietokone suoritti reilussa kolmessa minuutissa sellaisen laskun, johon tavallisia bittejä käyttävä tietokone kuluttaisi 10 000 vuotta. Kilpajuoksun toinen osapuoli IBM kuitenkin kiisti Googlen saavutukset, joten täyttä yhteisymmärrystä kvanttiherruuden saavuttamisesta ei ole. Kuitenkin Googlen kvanttitietokoneen tehokkuus ylitti tavallisen tietokoneen moninkertaisesti.

Milloin minun on mahdollista hankkia oma kvanttitietokone?

Kuten kvanttiteleportaation kuluttajamarkkinoita, ei kotikäyttöisiä kvanttitietokoneitakaan kannata odottaa hengitystä pidätellen, sillä kvanttitietokoneen rakentamiseen liittyy useita haasteita. 

Ensimmäinen haaste liittyy superpositiotilan saavuttamiseen. Kuten kysymyksessä Miksi en havaitse kvantti-ilmiöitä arjessa? opimme, on kvanttisysteemi herkkä ulkopuolisille häiriöille. Fyysisten kubittien luomiseen käytetystä tekniikasta riippuen kvanttitietokoneen komponentit saatetaan joutua jäähdyttämään lähelle absoluuttista nollapistetta (-273,15 °C), jotta kubittien olisi mahdollista saavuttaa tilojen välinen superpositio. 

Toisena haasteena on saada kubitit superpositiotilan lisäksi lomittumaan keskenään. Tämä onkin osoittautunut suurimmaksi haasteeksi kvanttitietokoneiden kehittämisessä, etenkin kun kubittien lukumäärä kasvaa. Määrän kasvaessa todennäköisyys ulkopuolisille häiriöille kasvaa, mikä hankaloittaa kvanttitietokoneen toimintaa.

Kolmas haaste liittyy ongelmanratkaisuun ja algoritmeihin. Lomittuneiden kubittien ohjaamiseen tarvitaan tavallista tietokonetta, joten ongelma täytyy ensin muuttaa kubiteilla käsiteltävään muotoon. Lopuksi kubiteilla laskettu vastaus täytyy vielä muuttaa tavalliselle tietokoneelle sopivaksi. Kubitit vaativat siis oman koodikielensä ja algoritminsa, ja näitä algoritmeja on vielä hyvin vähän. Kaiken tämän jälkeen on vielä varmistettava, etteivät ulkopuoliset häiriöt ole aiheuttaneet virheitä ongelman prosessoinnissa. Käytännössä suurilla kubittimäärillä häiriöiltä ei voida välttyä, joten toimiva virheenkorjausjärjestelmä on tarpeen.

Kuva 4. Tavallisen tietokoneen ja kvanttitietokoneen toimintalogiikat. Tavallinen tietokone käyttää datan käsittelemiseen elektroniikkaa sisältäviä logiikkayksiköitä. Kvanttitietokoneessa kubitteja käsitellään vastaavasti ns. kvanttiportin avulla. Silti myös kvanttitietokone käyttää tavallisia bittejä informaation vastaanottamiseen ja antamiseen, vaikka näiden tapahtumien välissä kone suorittaakin laskutoimitukset kubitteja höydyntäen.

Kurkataan tässä välissä myös kvanttitietokoneiden teknologioita tutkivan Juha Muhosen haastattelu videolla 1.

Video 1. Juha Muhosen haastattelu. Tutkimusryhmän kotisivu löytyy täältä. 

Kvanttitietokoneiden rakentaminen ja ylläpitäminen on siis vaikeaa ja lisäksi myös erittäin kallista. Korkea hinta johtuu sekä koneessa käytettävästä tekniikasta että materiaaleista. Kustannukset ja ylläpitoon tarvittavat resurssit ovat siis sitä luokkaa, että tavan tallaajalla ei ole niihin mitään mahdollisuuksia vielä hetkeen.

Yhteenveto:

• Kvanttitietokoneen toiminta perustuu kvantti-ilmiöihin, kuten lomittumiseen ja superpositioon.
• Kvanttitietokoneet käyttävät bittien (0 ja 1) sijaan kubitteja, jotka hyödyntävät tilojen välistä superpositiota.
• Kvanttitietokoneen etuna on suuri laskentateho.
• Suuri laskentateho saavutetaan, koska superposition ja lomittumisen ansiosta sama lasku voidaan suorittaa monilla eri luvuilla samanaikaisesti.
• Kvanttitietokoneen suurta laskentatehoa voidaan hyödyntää mm. tekoälyn optimoinnissa ja kemiallisten reaktioiden mallintamisessa.
• Kvanttitietokoneiden kehittäminen on vielä lähtökuopissa, vaikka toimivia koneita onkin onnistuttu rakentamaan. 
• Haasteina kvanttitietokoneissa on superpositiotilan saavuttaminen, lomittumisen aikaansaaminen sekä haasteet yleisen ongelmanratkaisun algoritmeissa.