Vallankumouksellinen kvanttitietokone
Kvanttifysiikka ja siihen perustuvat uudenlaiset kvanttiteknologiat kehittyvät nyt vauhdilla. Erityisen mielenkiinnon kohteena on kvanttitietokone, jonka odotetaan mullistavan useita ongelmanratkaisun alueita viimeistään 2030-luvun puolivälissä.
Kuten kaikilla fysiikan teorioilla, myös Isaac Newtonin ja James Clerk Maxwellin mekaniikkaa ja sähkömagnetismia kuvaavilla teorioilla ja niiden liikeyhtälöillä on pätevyysalueensa. Ymmärtääkseen tarkasti atomi- ja molekyylitason sekä äärimmäisen matalien lämpötilojen ilmiöitä on otettava käyttöön kvanttimekaniikka ja sen arkijärjestä usein poikkeava, mutta kokeellisesti äärimmäisen tarkasti toimivaksi todennettu työkalupakki. Näin tekemällä voi onnistua paitsi kuvaamaan nanomittakaavassa ja sitä pienemmillä tasoilla sekä absoluuttisen nollapisteen tuntumassa havaittavia ilmiöitä, myös luomaan kokonaan uudenlaisia teknologioita.
Aihe on poikkeuksellisen ajankohtainen, sillä kvantti-ilmiöihin pohjautuvia uusia teknologioita kehitetään nyt kiivaasti. Yhdistyneet Kansakunnat julisti vuoden 2025 kvanttitieteen ja -teknologian vuodeksi, ja fysiikan Nobel-palkinto jaettiin kvantti-ilmiöiden tutkijoille. Monipuolisen ilmiömaailman tutkimuksen ja siihen perustuvien teknologioiden kehittämisen uskotaan jatkuvan kiivaana myös tulevien vuosien aikana. Mielenkiintoisin uusista teknologioista on kvanttitietokone.
Kvanttitietokoneet ovat uudenlainen tapa toteuttaa laskentaa
Fyysikoilla on usein tapana erotella eri teorioiden pätevyysalueet paitsi yhtälöin, myös käyttämässään terminologiassa. Usein kaikki, mitä voidaan kuvata Newtonin ja Maxwellin yhtälöillä, on “klassista” fysiikkaa, kun taas atomitason ilmiömaailma on kuvattavissa vain kvanttifysiikan avulla. Ymmärtääkseen mikä tekee kvanttitietokoneesta poikkeuksellisen on hyvä käydä läpi, miten se eroaa tavallisesta eli klassisesta tietokoneesta.
Useimpien klassisten tietokoneiden toiminta perustuu virtapiireille, joissa transistorien kaltaiset sähköiset komponentit säätelevät virran kulkua. Logiikka on tällöin binääristä: sähköinen komponentti voi vahvistaa vastaanottamaansa signaalia (koodata tilan “1”) tai heikentää sitä (koodata tilan “0”), ja siirtää sen näin joko ykkösenä tai nollana eteenpäin. Kun komponentteja on useita, voidaan tietokoneella käsitellä yhä suurempia lukuja: kahdella bitillä lukuja 0–3 (00, 01, 10, 11), kolmella bitillä lukuja 0–7 (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) ja niin edelleen. Määrittelemällä, miten komponentit vahvistavat tai heikentävät vastaanottamiaan signaaleja riippuen niiden tilasta ja suoritettavasta tehtävästä, voi näin suorittaa laskentaa, siis esimerkiksi summata yhteen luvut 1+2 eli binäärilukuina ilmaistuna 001 + 010, jolloin vastaukseksi tulisi saada 011 eli 3.
Kvanttitietokoneen toiminta sen sijaan perustuu kvanttifysiikan lainalaisuuksien hyödyntämiseen. Toisin kuin tavallinen tietokone, kvanttitietokone ei operoi biteillä vaan kvanttibiteillä eli kubiteilla, joiden tila ei ole rajattu ykköseen ja nollaan kuten tavanomaisessa tietokoneessa.
Binääristen vaihtoehtojen sijaan kubitit voivat olla kvanttifysiikan sallimassa superpositiossa, jossa kubittien tila voi olla klassisten tilojen lisäksi myös mitä tahansa tilojen 1 ja 0 välistä. Tilaa havainnollistetaan usein niin kutsutulla Blochin pallolla, joka on esitetty kuvassa 1. Vastaavasti voi ajatella maapalloa, jonka pohjoisnavalla seisominen vastaisi klassista tilaa 1 ja etelänavalla seisominen tilaa 0. Kvanttitietokoneessa myös kaikki muut pisteet pallon pinnalla ovat mahdollisia.
Yksittäisten kubittien lisäksi myös useammasta kubitista koostuvat systeemit voivat olla yhteisessä superpositiotilassa. Tämä mahdollistaa tilanteen, jossa kahdella kubitilla voidaan kuvata erillisten vaihtoehtojen sijaan samanaikaisesti neljää klassista tilaa (00, 01, 10,11), kolmella kahdeksaa, neljällä kuuttatoista ja niin edelleen. Jokainen kubitti kaksinkertaistaa vaihtoehtojen määrän, eli samanaikaisesti kuvattavien ratkaisujen määrä kasvaa eksponentiaalisesti kvanttitietokoneen sisältämien kubittien määrän mukaan. Näin jo esimerkiksi 50 kubitilla voidaan koodata 2^50 tilaa eli lähes yhtä paljon kuin maailman tämän hetken parhaimmilla supertietokoneilla, joiden transistorien määrä lasketaan jo jokaista neliösenttimetriä kohti miljardeissa. Kubittien määrää edelleen lisäämällä tulevaisuudenkin klassiset supertietokoneet voitetaan nopeasti.
Seurauksena on ongelmanratkaisuun merkittävä tehokkuushyöty. Oleellisinta ei kuitenkaan ole ratkaisuvaihtoehtojen kuvaus, vaan oikean ratkaisun saaminen. Kvanttitietokoneella se saadaan lopputilan mittauksessa, jolloin kubittien superpositiotila romahtaa klassisten 1-tai-0-tilojen kokoelmaksi, siis esimerkiksi laskun 1+2 eli 001 + 010 lopputulokseksi 011 eli 3.
Odotuksena on, että tehokkailla algoritmeilla oikea lopputulos voidaan löytää kaikkien mahdollisten vaihtoehtojen joukosta jopa eksponentiaalisesti nopeammin kuin klassisilla tietokoneilla. Näin kvanttitietokone kykenee ratkaisemaan vain sekunneissa tai minuuteissa ongelmia, joihin parhaimmillakin kuviteltavissa olevilla supertietokoneilla kuluisi tuhansia tai jopa miljardeja vuosia. Teknologiaa pidetään näin syystäkin mullistavana.
Lupaavimpia käyttökohteita odotetaan olevan erityyppisissä optimointitehtävissä sekä esimerkiksi realistiseen molekyylimallinnukseen perustuvassa ja siten aiempaa merkittävästi tehokkaammassa lääkekehityksessä tai kokonaan uusien materiaalien luomisessa. Myös virtausmallinnuksen odotetaan olevan merkittävä sovellusalue, sillä kvanttitietokoneiden vauhdittamana esimerkiksi lentokoneiden aerodynamiikan tai vesialusten hydrodynamiikan mallinnus saattaa loikata kokonaan uudelle tasolle.
Kaksi haastetta kvanttiedun tiellä
Odotuksista huolimatta tähän mennessä rakennetuilla kvanttitietokoneilla ei ole kyetty saavuttamaan niin sanottua kvanttietua, eli ylivoimaista ongelmanratkaisukykyä tavanomaisiin supertietokoneisiin verrattuna käytännön ongelmissa¹. Merkittävin syy on kubittien toistaiseksi heikko laatu, jonka myötä kubittien tila saattaa muuttua arvaamattomasti tai niiden kvanttitila romahtaa kesken laskennan kokonaan, jolloin superpositioon perustuvaa tehokkuushyötyä ei saavuteta.
Tällä hetkellä kvanttitietokoneen taustalla olevalle teknologialle ei myöskään ole vielä selkeää standardia. Erilaisia tapoja rakentaa kubitteja on esitetty useita: esimerkiksi suprajohtavat kubitit, neutraalit atomit, ioniloukut ja fotoni- eli valokubitit. Osa ratkaisuista vaatii äärimmäistä jäähdytystä lähes absoluuttiseen nollapisteeseen asti, osa toimii huoneenlämmössä. Esimerkiksi puolijohteista rakennettuja siruja muistuttavat suprajohtavat kubitit vaativat toimiakseen voimakasta jäähdytystä sekä sen mahdollistavaa laitteistoa ympärilleen. Sen sijaan esimerkiksi ioniloukkuihin perustuvat kvanttitietokoneet toimivat huoneenlämmössä eivätkä vaadi monimutkaista tukirakennetta ympärilleen.
Vielä ei ole selvää, mihin teknologiaan perustuvat kubitit ovat tulevaisuudessa laadukkaimpia ja mitä on erityisesti pitkällä aikavälillä nopeinta ja kustannustehokkainta valmistaa niin, että kvanttitietokoneita kyetään skaalaamaan suuremmiksi ja siten ratkaisemaan yhä monimutkaisempia ongelmia niiden avulla.
Toinen syy toistaiseksi saavuttamattomissa pysytelleeseen kvanttietuun on tunnettujen kvanttialgoritmien rajallinen määrä. Ilman sopivia algoritmeja kvanttitietokoneen antama vastaus on enemmän tai vähemmän satunnainen, jolloin laskenta muuttuu merkityksettömäksi. Tunnettuja ja tehokkaaksi uskottuja algoritmeja on kuitenkin olemassa: niihin lukeutuvat muun muassa tiettyjen salausmenetelmien purkamiseen kehitetty Shorin algoritmi, sekä niin kutsuttu Groverin algoritmi, jonka avulla tietoa voidaan hakea klassisia menetelmiä tehokkaammin.
Algoritmien toistaiseksi rajallinen määrä on syy myös sille, miksi kvanttitietokoneen ei odoteta voittavan klassisia supertietokoneita kaikissa mahdollisissa ongelmissa. Todennäköisesti kvanttitietokone soveltuu käytettäväksi vain rajalliseen joukkoon ongelmia, mutta niihin sovellettaessa se voi tuoda eksponentiaalista hyötyä ongelmanratkaisun tehokkuuteen. Kvanttitietokoneella vuosista tulee sekunteja sopivasti valituissa, mutta ei kaikissa mahdollisissa ongelmissa.
Todennäköistä myös on, etteivät kuluttajat tule hankkimaan kvanttitietokoneita itselleen eikä laskentaa tehostavia kvanttisiruja tulla integroimaan kuluttajatuotteisiin kuten kännyköihin vielä pitkään aikaan, tai välttämättä koskaan. Todennäköisesti myös tulevaisuudessa kvanttitietokoneita tullaan käyttämään kuten tänä päivänä: laskentakeskuksiin liitettyjen pilvipalveluiden kautta osana laajempaa ongelmanratkaisutehtävää.
Haasteet ovat suuria, mutta onneksi myös alan kehitys on tällä hetkellä nopeaa. Merkittävä edistysaskel alalla nähtiin joulukuussa 2024, kun teknologiayhtiö Google julkisti Willow-kvanttiprosessorinsa. Uudenlainen prosessori kykenee virheenkorjaukseen, jonka avulla yksittäisten kubittien heikkoa laatua voidaan kompensoida kokoamalla useista fyysisistä kubiteista niin kutsuttuja loogisia kubitteja, joilla varsinainen laskenta suoritetaan. Mitä enemmän fyysisiä kubitteja punotaan yhteen, sitä varmemmaksi laskennan onnistuminen käy.
Odotuksena on, että tehokas virheenkorjaus mahdollistaa kvanttiedun saavuttamisen vähintään joissakin ongelmissa jo ennen kuluvan vuosikymmenen loppua. Laajempien hyötyjen odotetaan olevan saavutettavissa viimeistään 2030-luvun puolivälissä. Näin kvanttitietokoneet eivät ole vain kaukaisen tulevaisuuden teknologiaa, vaan todennäköisesti jo lähitulevaisuuden työkaluja lääkekehityksen tai optimoinnin tehostamiseen. Niiden lisäksi kvanttitietokoneiden uskotaan tarjoavan vallankumouksellista hyötyä uudenlaisten tai nykyisin ratkaisemattomana pysyttelevien muiden laskennallisten ongelmien ratkaisemiseen. Näin tekee tietyiltä osin myös tekoäly, mutta jos tänä päivänä haluaa tehdä jotain todella uutta, kvanttilaskennan kehittäminen on siihen lupaava vaihtoehto.
¹Supertietokoneisiin nähden ylivoimaista kvanttietua on toistaiseksi saavutettu vain kokeissa, jotka ovat perustuneet joko kvanttitietokoneelle räätälöityjen ongelmien ratkaisemiseen tai yksinkertaisiin fysikaalisiin malleihin kuten niin sanottuun Ising-malliin, jolla kuvataan ferromagneettisia aineita.
Kirjoittaja on Helsingin yliopiston teoreettisen fysiikan dosentti ja tietokirjailija, jonka yleistajuinen tietokirja “Kvanttikilpajuoksu – Supertietokoneiden vallankumous” ilmestyi Tammen kustantamana kesällä 2025. Hänet on palkittu aiemmista tietokirjoistaan Tiedonjulkistamisen valtionpalkinnolla vuonna 2022.
