Kvanttitietokone

Kvanttitietokone on kehitteillä oleva tietokone, joka hyödyntää kvanttitilojen superpositiota ja sen tarjoamia erityisiä mahdollisuuksia. Mikäli suurempien kvanttitietokoneiden rakentaminen onnistuu, niillä voidaan ratkaista tiettyjä ongelmia huomattavasti klassisia tietokoneita nopeammin. Esimerkkejä ovat salausavainten tekijöihin jako ja erityisesti kvanttimekaniikan mallintaminen.

Taustaa

Jo vuonna 1959 amerikkalainen Nobel-palkittu fyysikko Richard Feynman huomasi, että elektronisten osien pienentyessä mikroskooppiseen mittaluokkaan kvanttimekaniikan ilmiöt tulevat yhä merkittävämmiksi. Hän vihjasi, että niiden avulla voitaisiin kehittää yhä tehokkaampia tietokoneita. Erityisesti kvanttitietokonetutkijat toivovat pystyvänsä valjastamaan superpositioksi kutsutun ilmiön. Kvanttimekaniikan maailmassa objekteilla ei välttämättä ole selkeästi määrittynyttä tilaa. Asiaa demonstroi kuuluisa kaksoisrakokoe, jossa yksi valon fotoni kerrallaan läpäisee varjostimen, jossa on kaksi rakoa. Tällöin fotonit tuottavat interferenssikuvion superpositiona kaikista mahdollisista reiteistä. Jos taas yksi rako on suljettu tai mittalaitteella havainnoidaan, kumpaa reikää pitkin fotoni kulki, interferenssikuvio katoaa. Seurauksena kvanttijärjestelmä ”on olemassa” kaikissa mahdollisissa tiloissa, kunnes mittaus ”romahduttaa” järjestelmän yhteen tilaan. Tämän ilmiön valjastaminen tietokoneessa mahdollistaa tietokoneiden laskentakykyjen suuren laajenemisen. Perinteinen binääritietokone käyttää binäärilukuja tai bittejä, jotka voivat olla kahdessa eri tilassa, jotka esitetään 0:na ja 1:nä. Näin ollen 4-bittinen tietokonerekisteri voi kerrallaan sisältää yhden 16:sta () mahdollisesta numerosta. Vastakohtana kvanttibitti eli kubitti on samanaikaisesti aallontapaisessa arvojen 0 ja 1 superpositiossa, jolloin 4-kubittinen tietokonerekisteri voi sisältää kaikki 16 lukua samanaikaisesti. Teoriassa kvanttitietokone voi siksi käyttää monia lukuja rinnakkaisesti: silloin 30-kubittinen tietokone olisi verrattavissa digitaalisen tietokoneeseen, joka voi suorittaa 10 biljoonaa terafloppia sekunnissa (TFLOPS), mikä on verrattavissa nopeampiin supertietokoneisiin.
1980- ja 1990-lukujen aikana kvanttitietokoneiden teoria eteni merkittävästi Feynmanin alkuvaiheen spekuloinnista. Vuonna 1985 Oxfordin yliopiston David Deutsch kuvasi kvanttiporttien rakentamista universaalille kvanttitietokoneelle, ja vuonna 1994 AT&T:n työntekijä Peter Shor kehitti algoritmin kvanttitietokoneelle jakamaan numeroita alkutekijöihinsä, mikä vaatisi niinkin vähän kuin 6 kubittia. Tosin numerojen jakaminen kohtuullisessa ajassa vaatisi paljon suuremman määrän kubitteja. Jos käytännöllinen kvanttitietokone rakennetaan, nykyiset kahden alkuluvun kertomiseen perustuvat kryptografian metodit tulevat hyödyttömiksi. Tämän kompensoimiseksi kvanttimekaaniset ilmiöt tarjoavat uudet, kvanttikryptografiaksi kutsutut tavat viestinnän suojaamiseen. Kuitenkin oikean kvanttitietokoneen rakentaminen on osoittautunut vaikeaksi. Vaikka niiden potentiaali on valtava, niin ovat niiden vaatimuksetkin. Kvanttitietokoneen täytyy ylläpitää koherenssia kubittien välillä (tunnetaan kvanttilomittumisena) tarpeeksi pitkän aikaa, jotta algoritmi saadaan suoritetuksi. Miltei vääjäämättömästi tapahtuvat vuorovaikutukset ympäristön kanssa (dekoherenssi) tuhoavat koherenssin. Tämän takia käytännön menetelmiä havaita ja korjata virheet on laadittava; ja, lopuksi, koska kvanttijärjestelmän mittaaminen häiritsee sen tilaa, luotettavia menetelmiä tiedon keruuseen on kehitettävä.

Toimintaperiaate

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. Tilannetta havainnollistetaan tavallisesti Schrödingerin kissana tunnetulla ajatuskokeella.
Suuri määrä mahdollisia tiloja sallii kvanttitietokoneiden suorittaa suuren määrän laskutoimituksia paljon nopeammin kuin binääritietokoneet. Kvanttilaskennassa tutkijat tyypillisesti eristävät molekyylin, atomin tai subatomisen hiukkasen ja manipuloivat sen spiniä ja mittaavat tulokset. Valon fotoneita on myös eristetty tähän tarkoitukseen. Tähän mennessä manipulointi on onnistunut vain kokeellisella tasolla. Kvanttilaskennan uranuurtajina olivat Paul Benioff, Yuri Manin (1980) ja Richard Feynman (1982); onnistuneet kokeet kvanttitietokoneiden saralla alkoivat 1990-luvun jälkipuoliskolla. Kyky suorittaa suuria määriä laskutoimituksia ja tehokkuus rinnakkaisprosessoinnissa tarkoittavat, että kvanttitietokoneita luultavasti käytetään tietoturvaa ja kryptografiaa vaativissa tehtävissä. Toinen mahdollinen hyöty kvanttitietokoneista tulee olemaan koon pieneneminen. Kuitenkin tähän mennessä koneisto, jota käytetään näissä projekteissa on vieläkin melko suurta.
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. Kvanttitietokoneessa yhden kubitin tila kaukovaikuttaa toisen tilaan ilman aikaviivettä, vaikka ne olisivat hyvinkin kaukana toisistaan. Tällä tavalla eräät aikaisemmin liikaa laskenta-aikaa vaatineet ongelmat voidaan ratkaista tehokkaasti. Kuuluisa esimerkki tästä on Peter Shorin 1994 kvanttitietokoneelle suunnittelema algoritmi, jolla luku voidaan jakaa tekijöihinsä tehokkaasti. Algoritmia voitaisiin käyttää murtamaan nykyisin yleisesti käytetty RSA-salakirjoitus.
Kvanttitietokoneiden rajoituksena on se, että mittaushetkellä superpositiot romahtavat. Siksi kvanttitietokoneella kyetään ratkaisemaan vain sellaisia ongelmia, joiden vastaus löytyy yhdellä kysymyksellä. Useampia kysymyksiä ongelman ratkaisemiseksi ei siis voida kysyä.

Kubitit

Tietoa varastoivia yksikköjä kutsutaan kubiteiksi (”kvanttibitti”). Fyysisesti nämä voivat olla hiukkasia tai suprajohtavia virtasilmukoita, loogisina kubitteina myös näiden ryhmiä. 
Toisin kuin klassisessa tietokoneessa, jossa on käytettävissä rajaton määrä virtaavia elektroneja, kvanttitietokoneessa yhdenkin kubitin häiriö tai menetys riittää laskun piloille menemiseen. Kvanttikoherenssi on vaikea säilyttää ja vaatii kubitin suojaamista hyvin ympäristön vaikutukselta. 
Energianmenetys |1> -> |0> tapahtuu kubitille vakiotodennäköisyydellä aikayksikössä. Toinen häiriö ovat satunnaiset muutokset kubitin energiassa, jotka muuttavat sen suhteellista tilaa. Usein myös tämän häiriön todennäköisyys kasvaa ajan myötä.
Kubitit pysyvät tilassaan niin lyhyen aikaa, että vaaditaan keinoja, joilla joko voidaan jatkaa niiden pysymistä superpositiossa tai tehdä järjestelmä muuten virheensietokykyisemmäksi. Toivottavaa olisi suorittaa koko lasku mahdollisimman nopeasti ja vähillä operaatioilla, koska jokainen operaatio osaltaan horjuttaa kubitin tilaa.
Fyysisinä kubitteina on kokeiltu erilaisia objekteja: 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, joka voidaan valita vakaaksi, kuten atomikelloissa.
Suprajohtavuutta ja Josephsonin liitosta hyödyntämällä voidaan luoda normaaliin virtapiiriin oskillaattori, joka toimii kubittina. Tätä menetelmää on hyödyntänyt muun muassa yritys D-Wave Systems.

Virheenhallinta

Kuten edellä todettiin, kubitit ovat alttiitta ulkoisille häiriöille. Niiden sietokykyä järjestelmässä voidaan kasvattaa muodostamalla loogiset kubitit useista yksittäistä, fyysisistä kubiteistä. Tällöin yksittäisen fyysisen kubitin pilaava häiriö ei riitä estämään laskun etenemistä ja kubittien tilojen seuranta voidaan suorittaa yksi fyysinen osa kerrallaan. Näin vähennetään ryhmän yksittäiseen jäseneen kohdistuvaa rasitusta ja kasvatetaan sen ”eliniänodotetta”.

Toteutustapoja

Suunnitelmia kvanttitietokoneiden rakentamiseen on ehdotettu. Vaikka moni niistä demonstroi perusperiaatteet, mikään niistä ei ole edistynyt kokeellisen käytön ohitse. Kolme lupaavinta lähestymistapaa ovat ydinmagneettinen resonanssi (NMR), ioniloukut ja kvanttipisteet.
Vuonna 1998 Isaac Chuang Los Alamos National Laboratorysta, Neil Gershenfeld Massachusetts Institute of Technologystä (MIT) ja Mark Kubinec Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä kehittivät ensimmäisen, 2-kubittisen kvanttitietokoneen, johon voisi syöttää dataa ja saada ulostulossa ratkaisun. Vaikka heidän järjestelmänsä oli koherentti vain muutaman nanosekunnin ja triviaali merkittävien ongelmien ratkaisemisen kannalta, se demonstroi kvanttitietokoneiden toimintaperiaatteita. Subatomisen hiukkasen eristämisen sijaan he hajottivat suuren määrän kloroformimolekyylejä (CHCL₃) huoneenlämpöiseen veteen ja käyttivät magneettikenttää sen hiili- ja vetyatomien spinien orientoimiseen. Koska normaalilla hiilellä ei ole magneettista spiniä, heidän ratkaisunsa käytti isotooppi hiili-13:a. Spin samansuuntaisena ulkoista magneettikenttää vasten voitiin tulkita 1:ksi ja vastasuuntaisena 0:ksi, ja vety-ydintä ja hiili-13-ydintä voitiin kollektiivisesti pitää 2-kubittisena järjestelmänä. Ulkoisen magneettikentän lisäksi radiotaajuista pulssia käytettiin spin-tilojen ”täyskäännökseen” luoden päälle yhdensuuntaisen ja vastasuuntaisen tilan. Lisäpulsseja lähetettiin yksinkertaisen algoritmin suorittamiseen ja järjestelmän lopputilan tutkimiseen. Tämän tapaista kvanttitietokonetta voi laajentaa käyttämällä molekyylejä, joissa on enemmän yksilöllisesti kohdistettavia atomiytimiä. Vielä maaliskuussa 2000 Emanuel Knill, Raymond Laflamme ja Rudy Martinez Los Alamokselta ja Ching-Hua Tseng MIT:stä kertoivat luoneensa 7-kubittisen tietokoneen käyttämällä trans-krotonaldehydihappoa. Monet tutkijat ovat kuitenkin skeptisiä tämän magneettisen menetelmän laajentamisesta yli 10:n ja 15 kubitin, koska koherenssi pienenee nopeasti atomiytimissä.
Vain viikkoa ennen 7 kubitin tietokoneen julkaisemista fyysikko David Wineland ja hänen kollegansa (NIST):stä kertoivat tehneensä 4 kubitin kvanttitietokoneen lomittamalla neljä ionisoitunutta berylliumatomia elektromagneettiseen ”loukkuun”. Sen jälkeen kun ionit oli vangittu lineaarisella järjestelyllä, laseri jäähdytti hiukkaset lähelle absoluuttista nollapistettä ja synkronisoi niiden spin-tilat. Lopuksi hiukkaset lomitettiin laserilla, mikä loi superposition spin ylös- ja spin alas -tilojen välillä samanaikaisesti kaikille neljälle ionille. Jälleen tämä demonstroi kvanttitietokoneiden perusperiaatteet, mutta tämänkin tekniikan mittakaavan laajentaminen käytännöllisiin mittasuhteisiin on ongelmallista.
Puolijohteisiin perustuvat kvanttitietokoneet ovat toinen vaihtoehto. Yksi lähestymistapa on joukko eristettyjä vapaita elektroneja (kubitteja), jotka sijaitsevat erittäin pienillä alueilla, joita kutsutaan kvanttipisteiksi. Yksi kahdesta spin-tilasta tulkitaan nollaksi ja ykköseksi. Vaikka tämä on altis dekoherenssille, sellaiset kvanttitietokoneet pohjautuisivat hyvin rakennetuille kiinteän aineen tekniikoille ja niihin voitaisiin soveltaa integroitujen piirien ”mittakaavan” teknologiaa. Lisäksi suuri joukko identtisiä kvanttipisteitä voitaisiin mahdollisesti tehdä yhdelle sirulle. Siru toimii ulkoisessa magneettikentässä, joka ohjaa elektronin spin-tiloja, kun taas naapurielektronit ovat heikosti pariutuneita (lomittuneita) kvanttimekaanisten ilmiöiden seurauksena. Kokoelma päällekkäisiä elektrodijohtoja sallii yksittäisten kvanttipisteiden käsittelyn, algoritmien suorittamisen ja lopputuloksen päättelemisen. Sellaista järjestelmää täytyy käyttää lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollapistettä, jotta ympäristön dekoherenssi saataisiin minimoitua, mutta sillä on potentiaalina sisältää erittäin suuri määrä kubitteja.
Tulevaisuudessa kvanttitietokoneita mahdollisesti käytetään koodinmurtamisessa (katso kryptografia) ja suurien tietokantojen hakemisessa. Teoreetikot kemiassa, tietojenkäsittelytieteessä, matematiikassa ja fysiikassa työstävät kvanttitietokoneiden rajoituksia ja mahdollisuuksia.

Kehitys

Pieniä kvanttitietokoneita on rakennettu hiljattain, ja tutkimus jatkuu edelleen. Kanadalainen D-Wave Systems yritti valmistaa kaupallisia laskentapalveluja tarjoavan, tunneloitumistekniikkaan perustuvan kvanttitietokoneen vuoteen 2008 mennessä. Yritys demonstroi omien sanojensa mukaan 16-kubittistä kvanttitietokonetta vuonna 2007, mutta näitä tuloksia on kritisoitu.
Vuonna 2013 D-Waven 512 kubitin kvanttitietokoneen ostivat muun muassa Lockheed Martin ja Google.
IBM on kehittänyt kvanttitietokoneen, joka on yleiskäyttöinen toisin kuin D-Wave:n kvanttitietokone, mutta IBM:n toteutus on viiden kubitin kapasiteetilla.
Vuonna 2017 D-Wave julkisti 2 000 kubitin D-Wave 2000Q -mallin, jota on kritisoitu, koska sen kubitit eivät toimi odotetulla tavalla.
Google on ilmoittanut aikomuksena julkaista oman ratkaisunsa vuoden 2017 aikana.
IBM:n ratkaisussa epätarkkuudet laskennassa on saatu rajattua kahden ja neljän prosentin virhemarginaaliin beryllium-yhdisteen mallinnuksessa.
Techforecast-asiantuntijapaneeli arvioi kvanttitietokoneiden olevan yleisesti käytössä 2020-luvulla.
Vuonna 2019 Googlen tutkijat ilmoittivat suorittaneensa 54-qubittisen Sycamore-kvanttitietokoneen avulla 200 sekunnissa tehtävän, jonka laskeminen klassisella periaatteella toimivalla supertietokoneella olisi kestänyt 10 000 vuotta, ja siten saavuttaneensa kvanttiherruuden. IBM:n tutkijat kiistivät tämän väittäen, että klassinen tietokone voisikin ratkaista saman ongelman 2,5 päivässä ja suuremmalla tarkkuudella. Siten kyseessä olisi ainoastaan etu, ei "herruus". Vielä vuoteen 2019 mennessä kvanttitietokoneilla ei ole ratkaistu mitään sellaista ongelmaa, jota ei voitaisi ratkaista millään muulla tavalla.