Kvanttitietokone on mielestäni konseptina erityisen mielenkiintoinen. Kuitenkin mielestäni liian moni ihminen ei ymmärrä siitä muuta kuin sen mystisyyden, joten kunnianhimoinen kun olen, aion tässä tekstissä yrittää selittää sinulle lukija, mitä tämä fysiikan muotisana oikeasti tarkoittaa! Joten otetaanpa loikka tuntemattomaan, seuraa vain minua.

Joitain kuukausia sitten maailmalla levisi kulovalkean tavoin video, jossa Kanadan pääministeri Justin Trudeau vastaa toimittajan heittoon kvanttitietokoneista. Vaikka pääministerin selitys onkin jokseenkin puutteellinen, antaa se silti jotain kuvaa siitä, mikä erottaa normaalin tietokoneen kvanttitietokoneesta. Lyhyesti sanottuna, nykyisissä tietokoneissa informaatio on muotoiltu binäärisesti ykkösten ja nollien muotoon: transistorissa joko kulkee tai ei kulje virtaa. Asia on sinällään mustavalkoinen. Kvanttitietokoneissa tilanne saa kuitenkin huomattavasti enemmän harmaan sävyjä, sillä tieto on koodattu esimerkiksi elektronien spiniin tai fotoneihin. Tässä tekstissä käsitellään näistä ensimmäistä ja sen hyödyntämistä.

Vaikka spin on puhtaasti kvanttimekaaninen ominaisuus, voidaan sitä jossain määrin ajatella ikään kuin elektronin sisäisenä sauvamagneettina, sillä se asettuu mitattaessa joko ulkoisen magneettikentän suuntaan tai sitä vastaan kuvan 1 mukaisesti. Näiden tilanteiden voidaan ajatella vastaavan binäärisen järjestelmän ykköstä ja nollaa. Yhden elektronin tapauksessa idea on vielä melko selkeä, mutta kun lisätään tilanteeseen toinen elektroni, klassinen analogia alkaa rapistua.

Luonnossa elektroneilla esiintyy ominaisuus, jota kutsutaan lomittumiseksi (engl. quantum entanglement tai kuten Einstein asian ilmaisi ”spooky action at a distance”). Tällöin mittaamalla yhden elektronin ominaisuutta, kuten spiniä, saadaan tietoon muiden lomittuneiden elektronien spin-tila. Elektronit ovat siis eräällä tavalla yhteydessä toisiinsa. Kuitenkin ennen mittausta lomittuneiden elektronien spinit voivat olla tietyllä todennäköisyydellä mitä tahansa, kuitenkin riippuen toisista systeemin elektroneista. Tätä mahdollisuutta olla useammassa kuin yhdessä tilassa yhtä aikaa kutsutaan tilojen superpositioksi, ja nimenomaan tässä piileekin kvanttitietokoneiden hienous ja mahdollisuus! Nimittäin siihen asti, kun elektronisysteemi mitataan, pystyy systeemi ikään kuin kuvaamaan kaikkia mahdollisia lomittuneita tiloja. Näiden tilojen lukumäärä kasvaakin eksponentiaalisesti lomittuneiden elektronien lisääntyessä siten, että n elektronia kuvaa 2ⁿ tilaa. Näistä lomittuneista elektroneista käytetään kvanttitietokoneissa puhuttaessa nimeä kubitti. Luvulla 2ⁿ on myös toinen merkitys, sillä näin monta perinteistä bittiä tarvittaisiin kuvaamaan n:n kubitin kuvaama systeemi.

Kvanttitietokoneiden ja kvanttilaskennan hyvyys ilmeneekin nimenomaan ongelmissa, joissa lomittumista pystytään hyödyntämään vähentämällä vastaukseen pääsemiseksi tarvittavien operaatioiden määrää. Esimerkiksi kauppamatkustajan ongelmassa (engl. traveling salesman problem) perinteinen tietokone joutuu käymään yksitellen läpi kaikki vaihtoehdot selvittääkseen absoluuttisesti lyhimmän reitin, kun taas kvanttilaskenta pystyy antamaan vastauksen (tietyllä todennäköisyydellä) huomattavasti ripeämmin. Kvanttilaskentaan liittyy siis epävarmuutta, joka kompensoidaan suorittamalla laskutoimituksia ristiin, jolloin oikean vastauksen löytymisen todennäköisyys kasvaa.

Miksi kvanttitietokoneita ei sitten kuitenkaan ole vielä saatu toteutettua? Kubittien tekeminen ja hallitseminen on tämän hetkisellä insinööritaidolla vielä erittäin haastavaa. Yksittäisten elektronien hallitseminen vaatii äärimmäisen vakaita olosuhteita, jotka pystytään saavuttamaan vain, kun lämpötila laskee riittävän alas – itseasiassa vain kymmenien millikelvinien lämpötilaan. Jos lämpötila nousee paljon yli absoluuttisen nollapisteen, elektronien lämmöstä saaman energian takia, niiden spiniä ei voida enää hallita. Jotta homma ei menisi liian yksinkertaiseksi, täytyy spinin hallitsemiseksi saada luotua erittäin vahva ulkoinen magneettikenttä, ja tähän tarvitaan suprajohtavia magneetteja, jotka myös vaativat toimiakseen hyvin matalat lämpötilat. Kun nämä asiat on saatu kuntoon, päästään ”kirjoittamaan” informaatiota kubittiin (spiniin) mikroaaltopulssilla, joka kääntää spinin 0:sta 1:ksi. Tällöin luodaan muiden kubittien avulla superpositiotila. Kaiken tämän jälkeen kubiteista pitää pystyä rakentamaan mielekkäitä piirejä. Tällä hetkellä aitojen kvanttipiirien kubittien lukumäärät mahtuvatkin vielä kahden käden sormiin. Kuitenkin sikäli kun tehokkaampia ja toimivia aitoja kvanttitietokone saadaan joskus rakennettua, mahdollistaa se huomattavia harppauksia niin simulaatioissa, kryptografiassa kuin monella muullakin tieteen alalla. Ja vaikka niitä ei koskaan onnistuttaisikaan rakentamaan, antaa tutkimus kuitenkin arvokasta käsitystä kvanttimaailman ilmiöistä sekä niiden hallinnasta. Ja kuka tietää, mihin se taas voikaan johtaa.

Mikäli haluat tietää lisää kvanttitietokoneista, niin ota ihmeessä allekirjoittaneeseen yhteyttä vaikka LinkedIn:ssä! Profiiliini pääset tästä. Suosittelen myös jatkamaan kvanttitietokoneisiin tutustumista esimerkiksi Youtube-kanava Veritasiumin asiaan keskittyneen toistolistan avulla.

 

Kuvalähde [1]:
http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/57396/=a099e02893dbe 7684308e61389fbd611.jpg?revision=1, viitattu 8.7.2016.