Herkät kubitit

Vaikka kvanttitietokoneista on puhuttu jo paljon, itse laskennan perusteet ovat jääneet hämäriksi. Moni lienee ihmetellyt, kuinka mitään laskentaa voidaan perustaa kvanttitietokoneen kubittiin, joka voi bitistä poiketen olla sekä 1 että 0. 

Asiaan on perehdytty Teknologian tutkimuskeskus VTT:ssä, joka yrittää parhaillaan rakentaa kvanttitietokonetta yhteistyössä IQM Finland Oy:n kanssa. 

VTT:n tiimipäällikkö Joonas Govenius kertoo kubittien olevan laskennan alkuvaiheessa  superpositiossa eli tilassa, jossa niiden arvo on vaihtelevalla todennäköisyydellä 1, 0 tai jotain niiden välillä. Teknisesti kubitti voidaan toteuttaa monin tavoin. Se voi olla esimerkiksi elektroni, ioni tai suprajohtavassa tilassa oleva virtasilmukka, jolla on jokin arvoilla 1 tai 0 kuvattava ominaisuus.   

Kvanttimuistin kubitit eivät ole toisistaan kokonaan erillisiä. Lomittumisena tunnetun kvantti-ilmiön myötä kubittien arvot vaikuttavat toinen toisiinsa. Kubittien orientaatio ei kuitenkaan toteudu lomittuneessa kvanttimuistissa täysin spontaanisti, vuorovaikutuksia manipuloidaan kubittien tilaan vaikuttavilla ”kvanttiporteilla”. Govenius kertoo kvanttiporttien olevan keskeinen osa kvanttilaskentaa, tietty sekvenssi portteja on laskennan algoritmi. 

Vastauksen poimiminen

Perinteisen tietokoneen joko-tai-bitit tarjoavat prosessointiin periaatteessa yhden reitin, joka tuottaa vastaukseksi yhden bittijonon. Kvanttitietokoneen konsepti on perustavasti erilainen. Muistin läpi ei virtaa tässä sähköä; tehtävän vastaus on yksi kubittien kaikista mahdollisista 1,0 -tiloista,  joka erotellaan muista kombinaatioista. 

Erottelu perustuu interferenssiin. Kubittimuistin lomittuneet hiukkaset käyttäytyvät kuin aallot, joiden vaiheet voivat interferenssin myötä joko vahvistaa tai heikentää toisiaan. 

– Kvanttiporteilla pyritään siihen, että interferenssi korostaa tehtävän vastausta edustavaa kombinaatiota ja vaimentaa muita.  

Lukeminen purkaa superposition 

Kubittien superpositio romahtaa muistin lukemisen yhteydessä selkeään 1 tai 0 -tilaan. Lukemisen tulos on näin samanlainen bittijono kuin perinteisessä tietokoneessa. Jos muistin manipulointi on onnistunut, tulokseksi valikoituu todennäköisesti oikea vastaus.

Kubittimuisti on aito musta laatikko.

Kvantti-ilmiöiden kanssa toimittaessa tässäkin on kyse vain todennäköisyydestä.

– Tulos voi olla eri, vaikka prosessi uusittaisiin aivan samanlaisena. Ajo täytyykin yleensä toistaa useampaan kertaan, jolloin todennäköisin tulos erottuu muista. 

Kubittimuisti on sikäli aito musta laatikko, että kubittien tilaa ja tapahtumia ennen loppumittausta ei voida seurata. 

– Vähäisinkin ulkopuolinen signaali voi häiritä kubittia ja pilata näin laskennan. 

Matka algoritmeihin vielä pitkä

Laskennan periaatteesta on kuitenkin vielä pitkä matka toimiviin algoritmeihin. Nähtäväksi vielä jää, millaista käyttöä kvanttitietokoneille tulee löytymään. Sovellusmahdollisuuksina on tähän mennessä esitetty esimerkiksi reititykseen sekä lukujen tekijöihinsä jakamiseen liittyviä tehtäviä. 

Konsepti sopii Goveniuksen mielestä luontevimmin tehtävissä, joissa mahdollisia syötteitä ja laskentapolkuja on paljon ja vastauksen totuudellisuus helppo todentaa.  

Hän toivoo kvanttilaskennan helpottavan tulevaisuudessa esimerkiksi molekyylien avaruudellisen asennon hahmottamista, mistä olisi hyötyä ainakin lääketeollisuudessa ja materiaalikehityksessä.  

Alalla on kuitenkin raapaistu vasta pintaa.

– On selvää, että erilaisia asioita voidaan ratkaista teoriassa. Nähtäväksi jää, pystymmekö rakentamaan riittävän isoja ja vähävirheisiä koneita käytännössä.

Yksi isoista teknisistä haasteista on kubittien kvanttitilojen säilyttäminen riittävän pitkän ajan.

– Pieninkin kosketus muistin ulkopuolelta tulevaan energiaan pilaa helposti koko laskennan. 

Videolla Mikko Möttönen esittelee kvanttitietokoneen toimintaa.