Vuonna 1959 amerikkalainen fyysikko Richard Feynman päätteli, että elektronisten osien pienentyessä mikroskooppiseen mittaluokkaan, kvanttimekaniikan ilmiöt tulevat vaikuttamaan esimerkiksi tietokoneissa. Hän esittikin, että kvanttimekaanisia ilmiöitä hyväksi käyttämällä voitaisiin kehittää yhä tehokkaampia tietokoneita.
1980- ja 1990-luvuilla kvanttitietokoneiden teoria eteni merkittävästi. Vuonna 1985 David Deutsch kuvasi kvanttiporttien rakentamista universaalille kvanttitietokoneelle, ja vuonna 1994 Peter Shor kehitti kvanttitietokoneelle algoritmin jakamaan lukuja alkutekijöihinsä.
Erityisesti kvanttitietokonetutkijat toivovat pystyvänsä valjastamaan superpositioksi kutsutun ilmiön. Kvanttimekaniikan maailmassa objekteilla ei välttämättä ole selkeästi määrittynyttä tilaa. Tämän vuoksi kvanttijärjestelmä ”on olemassa” kaikissa mahdollisissa tiloissa, kunnes mittaus ”romahduttaa” järjestelmän yhteen tilaan.
Tämä ilmiö mahdollistaa tietokoneiden laskentakykyjen merkittävän laajenemisen. Tavallinen tietokone käyttää laskennassa bittejä. Jokainen bitti sisältää joko ykkösen tai nollan, ja laite suorittaa laskutoimitukset bittien arvoja muuttamalla. Kvanttitietokone käyttää laskutoimituksissa kubittejä. Yksi kubitti voi sisältää joko ykkösen, nollan tai, tyypillisesti, ykkösen ja nollan superposition, jolloin kummankin toteutumiselle on oma todennäköisyytensä.
Fyysisinä kubitteina on kokeiltu useita erilaisia mahdollisuuksia: elektroneja, ioneja (atomeja) ja suprajohtavassa tilassa olevia virtasilmukoita. Toimiakseen kubittina valitulla kohteella tulee olla erityinen kvanttifysikaalinen ominaisuus, jota hyödyntää. Elektronin kohdalla se on yleensä spin, ionien kohdalla jokin sen elektronitiloista.
Suprajohtavuutta ja Josephsonin liitosta hyödyntämällä voidaan luoda normaaliin virtapiiriin oskillaattori, joka toimii kubittina.
Suuri määrä mahdollisia tiloja mahdollistaa kvanttitietokoneille kyvyn tehdä laskutoimituksia paljon nopeammin kuin binääritietokoneet.
Oikean kvanttitietokoneen rakentaminen on osoittautunut vaikeaksi. Kvanttitietokoneen täytyy ylläpitää koherenssia kubittien välillä tarpeeksi pitkän aikaa, jotta algoritmi saadaan suoritetuksi. Vuorovaikutukset ympäristön kanssa tuhoavat koherenssin. Tämän vuoksi tulee kehittää menetelmiä virheiden havaitsemiseksi ja korjaamiseksi.
Kyky suorittaa suuri määrä laskutoimituksia ja tehokkuus rinnakkaisprosessoinnissa viittaavat siihen, että kvanttitietokoneita tullaan todennäköisesti käyttämään tietoturvaa ja kryptografiaa vaativissa tehtävissä.
Superposition ansiosta kvanttitietokoneilla on potentiaalia ratkaista joitakin ongelmia klassisia tietokoneita nopeammin. Kvanttitietokoneessa moni luku on superpositiotilassa, ja kvanttitietokone suorittaa tätä kautta laskutoimituksen kaikille näille luvuille rinnakkain.
Aalto yliopiston ja VTT:n professori Mikko Möttönen esitelmöi kvanttitietokoneista MALin tiede- ja teknologiaillassa.
Kvanttitietokoneiden rajoituksena on se, että mittaushetkellä superpositiot romahtavat. Siksi kvanttitietokoneen toiminta koostuu superpositioita hyödyntävistä jaksoista, joissa kussakin annetaan fyysisen luonnon hakea vastaus yhteen mutkikkaaseen kysymykseen. Aalto-yliopiston ja VTT:n professori Mikko Möttönen esitelmöi kvanttitietokoneista MALin tiede- ja teknologiaillassa tiistaina 4. helmikuuta. Möttönen johtaa suurehkoa tutkimusryhmää, jossa on mm. fyysikoita ja sähköinsinöörejä, ja hänen mukaansa ryhmässä tarvitaankin monenlaista osaamista.
Projektilla on 8-vuotinen Suomen Akatemian myöntämä rahoitus. Lisäksi projektia rahoittavat mm. Jane ja Aatos Erkon säätiö ja ERC (European Research Center).
Möttösen mukaan kvanttitietokone on kellotaajudeltaan noin tuhat kertaa tavanomaista tietokonetta hitaampi, mutta omalla tavallaan valtavasti fiksumpi. Näin ollen kvanttitietokoneet eivät tule korvaamaan nykyisin käytössä olevia tietokoneita. Kvanttitietokoneita ei myöskään voida käyttää tiedon säilyttämiseen. Möttösen mukaan kvanttitietokoneiden etuna kuitenkin on että vahvuusalueihinsa kuuluvissa tehtävissä ne tulevat olemaan halvempia ja tarkempia kuin nykyiset tietokoneet. Tällä hetkellä maailmalla kvanttitietokoneita kehittäviä suuria yrityksiä ovat esimerkiksi Google, Microsoft, IBM ja Intel.
Yleisö kuunteli asiaa kvanttitietokoneen erityispiirteistä.
Runsaslukuinen yleisö sai eloisaa huippuluokan opetusta, kun Möttönen vastaili monenlaisiin tarkentaviin kysymyksiin, kubittioperaatioiden matriisimatematiikkaa myöten. •
Teksti ja kuvat: Martti Annanmäki