Tiede

Nyt se on virallista: Kvanttitietokone saavutti herruuden eli laski 200 sekunnissa sen, mikä olisi vienyt supertietokoneelta 10 000 vuotta

Tässä jutussa selitämme, miten kvanttitietokone toimii. Sitä voi koettaa ymmärtää, vaikka se ei sovi arkijärkeen.

Kvanttiherruus on virallisesti julistettu.

Googlen Sycamore-tietokoneen kehittäjät kertovat Nature-lehdessä laskentaoperaatiosta, josta kvanttitietokone on ensimmäisen kerran suoriutunut ylivertaisesti nopeammin kuin tehokkaimmat klassiset super­tietokoneet.

Tällaista suoritusta luonnehdittiin jo etukäteen kvanttiherruuden saavuttamiseksi.

Kvanttitietokoneelta kesti 200 sekuntia lajitella joukko satunnaisia lukuja tavalla, joka tavalliselta supertietokoneelta olisi kestänyt 10 000 vuotta.

Tämän jutun loppuosasta löydät rautalankaselityksen siitä, miten kvanttitietokone eroaa tavallisesta tietokoneesta.

Saavutus on odotettu virstanpylväs kvanttitietokoneiden kehittelyssä. Se osoittaa, että teoriassa ylivertainen kone voi todella toimia käytännössä.

”Se on mahtava uutinen tälle alalle”, kommentoi Aalto-yli­opiston kvanttitietokoneen kehittäjä, professori Mikko Möttönen.

”Se poistaa epäluuloja. On siis mahdollista saada kvanttitietokone toimimaan.”

Useat alan tutkijat vertasivat onnistumista Wrightin veljesten ensilentoon.

”Wrightien alkuperäinen lennokki ei ollut käyttökelpoinen lentokone. Sen tarkoitus oli todistaa, että he olivat oikeassa, ja sen se teki”, sanoi tutkimusraportin vertaisarvioija, Texasin yliopiston tietojenkäsittelytieteilijä Scott Aaronson New York Times -lehdessä.

”Kvanttitietokone lensi”, otsikoi Nature oman kommenttinsa.

Kvanttitietokone pystyy periaatteessa suorittamaan sopivia tehtäviä valtavan paljon nopeammin kuin tavallinen.

Kuuluisa kvanttifyysikko Richard Feynman ehdotti jo 1980-luvulla, että kvanttitietokone olisi tehokas väline fysiikan ja kemian ongelmien ratkaisemiseen, koska laajojen kvanttisysteemien simulointi klassisella tietokoneella on äärimmäisen raskas urakka.

Käytännössä kvanttitietokoneen hallitseminen ja käyttäminen on kuitenkin erittäin vaativaa. Lämpö ja laitteen sisäiset vuorovaikutukset sotkevat helposti laskennan.

Raportin luonnos julkaistiin vahingossa syyskuussa Yhdysvaltain avaruushallinnon Nasan sivuilla. Se poistettiin vähän ajan kuluttua ilman selityksiä. Herruuskokeen virallista julkaisua osattiin tämän vuoksi odottaa.

Artikkelin otsikko kuuluu Kvanttiherruus ohjelmoitavalla suprajohtavalla prosessorilla. Sen pääkirjoittajan John Martinsin ja hänen työtoveriensa käyttämässä Googlen Sycamore-kvanttitietokoneessa oli 54 kvanttibittiä eli kubittia, joista yksi ei kokeessa toiminut.

Kubitteina toimivat suprajohtavat sähköiset värähtelijät. Jotta niiden kvanttitiloja pystyttiin hallitsemaan, laite jäähdytettiin lähelle absoluuttista nollaa.

Kubittien tilaa kääntävät portit toimivat erittäin virheettömästi, yli 99 prosentin tarkkuudella. Tämä oli Naturen mukaan kokeen merkittävimpiä saavutuksia ja mahdollisti sen onnistumisen.

Toistaiseksi kvanttitietokoneita ei ole hyötykäytössä. Silti tietotekniikka-alan jäteistä myös Microsoft, IBM ja Intel pyrkivät kehittämään omaa konettaan ja hankkimaan jalansijaa alalla.

New York Timesin mukaan Kiina on panostanut 400 miljoonaa omaan kvanttilaboratorioonsa ja hankkinut kaksi kertaa niin paljon patentteja kuin Yhdysvallat.


Näin kvanttitietokone toimii

Kvanttitietokoneen ymmärtäminen ei helposti onnistu. Jotta voi koettaa ymmärtää kvanttitietokoneen toimintaa, pitää tietää jotakin kvanttimekaniikasta.

Kvanttimekaniikka ei mahdu arkijärkeen. Se toimii alkeishiukkasten mittakaavassa johon emme näe. Silti se yhtä totta kuin klassinen mekaniikka.

Kvantittuminen tarkoittaa, että hiukkasen tai muun systeemin tila voi saada vain tiettyjä, hyppäyksittäin vaihtuvia arvoja. Lisäksi systeemi voi olla superpositiossa eli kaikissa tiloissa yhtä aikaa.

Kun tällaista superpositiota yritetään mitata, se muuttuu. Niinpä ei voida tarkasti tietää, millainen se oli.

Hiukkaset voivat lisäksi vaikuttaa toisiinsa, vaikka ne olisivat kaukana toisistaan. Tätä kutsutaan lomittumiseksi.

Kvanttitietokoneet pelaavat näillä ilmiöillä.

Bitin tilalla on kubitti

Tavallisessa tietokoneessa kaikki tieto ilmaistaan biteillä, joilla voi olla kaksi toisensa poissulkevaa tilaa: ykkönen tai nolla.

Tietokoneessa on valtava määrä pikkuruisia transistoreita, joiden läpi sähkö joko kulkee tai ei kulje. Kun sähkö ei kulje, bitti on nolla. Kun se kulkee, bitti on yksi.

Kvanttitietokoneessa bittien tilalla ovat kubitit. Kubittina voi toimia mikä tahansa kvanttisysteemi, joka voi olla vain kahdessa eri tilassa – sekä lisäksi superpositiossa.



Näkyvän maailman metaforana kubitille on käytetty kolikkoa. Se voi kääntyä kruunaksi tai klaavaksi. Se voi myös pyöriä kantillaan ennen kuin kaatuu jollakin todennäköisyydellä joko kruuna- tai klaavapuoli ylöspäin.

Kubittina voidaan käyttää esimerkiksi elektronia ja sen spiniä.

Spin on ominaisuus, jota on verrattu pyörimiseen, mutta todellisuudessa se liittyy hiukkasen magneettisiin ominaisuuksiin ja energiaan.

Elektronin spin voi olla ylös tai alas tai molempia, siis superpositiossa.

Kvanttimuistissa kaikki yhdistelmät

Klassinen tietokone suorittaa peräkkäin yksinkertaisia matemaattisia operaatioita. Jokaiseen porttiin tulee syötteenä vain ykkösiä ja nollia eli virtaa tai ei, ja portti antaa yksiselitteisen tuotoksen ykkösinä ja nollina eli virtaa tai ei.

Teho tulee siitä, että operaatioita tehdään valtavan paljon ja valtavan nopeasti.

Kvanttitietokoneen teho taas kumpuaa siitä, että sen muisti voi olla yhtä aikaa kaikissa mahdollisissa tavallisten bittien yhdistelmissä.

Neljällä bitillä voi ilmaista 16 lukua, mutta vain yhden niistä kerrallaan. Neljä kubittia sen sijaan voi sisältää kaikki nuo 16 lukua samalla kertaa. Mahdollisten yhdistelmien määrä lisääntyy eksponentiaalisesti kubittien määrän kasvaessa.

Neljän kubitin työt kotitietokone pystyy tekemään, mutta 50 kubitin korvaajaksi tarvitaan jo supertietokoneiden yhteenliittymä.

Tarvitaan vähemmän operaatioita

Kvanttikoneessa operaatio voi kääntää kubitin, mutta myös muuttaa sen superpositiota – eli nollan tai ykkösen todennäköisyyttä. Operaatioilla voi lisäksi lomittaa kubitteja.

Ratkaistava ongelma koodataan monimutkaiseksi kvanttioperaatioiden yhdistelmäksi, kvanttialgoritmiksi. Operaatiot tehdään vaikuttamalla yhteen tai kahteen kubittiin kerralla.

Kubittina toimivaan elektronin spiniin voi vaikuttaa mikroaaltopulsseilla. Pulssit on mahdollista kalibroida niin, että tarkoin tiedetään, miten paljon ne kääntävät spiniä. Kubitista toiseen kulkevalla pulssilla saadaan aikaan niiden lomittuminen eli luodaan niiden tilojen välille yhteys.

Kvanttitietokoneen toinen salaisuus on siinä, että superpositiotilojen ja niiden lomittumisen ansiosta kone tarvitsee sille soveltuvien ongelmien käsittelyyn hyvin vähän operaatioita. Siksi se voi laskea niin paljon nopeammin kuin klassinen tietokone.

Tulos sisältää niukasti informaatiota

Laskennan tulos luetaan kubittien tilasta operaatioiden jälkeen. Superpositiotiloja ei saada tietää, koska mittaaminen romauttaa superpositiot. Tulosta luettaessa kubittien spinit ovat vain ylös tai alas. Näkyvissä on enää rivi ykkösiä ja nollia.

Ulos saadaan siis vähän informaatiota, vaikka kone pystyy käsittelemään paljon vaihtoehtoja.

Tämän takia kvanttitietokoneet eivät sovellu mihin tahansa laskutehtäviin eikä niistä ole korvaamaan klassisia tietokoneita. Niistä voi tulla ylivoimaisia tehtävissä, joissa on yksinkertainen vastaus, mutta läpikäytävänä valtava määrä mahdollisuuksia. Tällainen tehtävä on esimerkiksi alkutekijöiden etsiminen.

Tulevaisuudessa kvanttitietokoneita saatetaan käyttää myös molekyylien mallintamisessa. Tavallisen tietokoneen laskentavoima ei siihen riitä, koska molekyyleissä itsessään on kvanttimaailman epätarkkuutta. Atomien elektronit voivat näet olla itsekin superpositiossa.

Kvanttikonetta on vaikea hallita

Toistaiseksi kvanttilaskennan matemaattinen teoria on paljon edellä sitä, mitä laitteilla käytännössä pystytään tekemään.

Koska kubittien tilat ja niiden suhteet muuttuvat herkästi, erilaiset häiriöt aiheuttavat kvanttitietokoneen laskentaan helposti virheitä. Mitä enemmän kubitteja, sitä haastavampaa niitä on hallita. Nykyisissä kvanttitietokoneissa kubitteja on enimmillään viitisenkymmentä.

Osassa koneista laskentaa toistetaan niin monta kertaa, että oikea vastaus varmentuu.

Joissain tehtävissä tuloksen tarkistaminen on kuitenkin helppoa. Isolle luvulle on vaikea löytää tekijöitä, mutta vastaus varmistuu oikeaksi tai vääräksi yksinkertaisella kertolaskulla.

Ota kaikki irti Hesarista
HS Digillä saat kaikki Hesarin digisisällöt käyttöösi

Kommentit

Kommentit

    Ei vielä kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Ei vielä nimellä kirjoitettuja kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Näytä lisää
    Luetuimmat
    • Juuri nyt
    • Päivä
    • Viikko
    1. 1

      Leikkauspotilaan koko veri vaihdettiin kylmään suolaveteen – Yhdysvalloissa tehty hoitokokeilu voi tulevaisuudessa pelastaa potilaan, joka muuten todennäköisesti kuolisi

    2. 2

      Viekö väärä ulkonäkö työn? Eeva-Kaisa Metsola on poikkeuksellinen näky, eikä hän suostu tinkimään tyylistään edes työpaikan vuoksi

      Tilaajille
    3. 3

      Tutkijat kehittivät uuden tavan määrittää, miten vanha koira on ihmisten iässä – Laskuri kertoo tuloksen lemmikille

    4. 4

      Tutkijat löysivät mullistavan keinon estää maapalloa uhkaavia hyönteisten joukkokuolemia: Sammuttakaa valot

    5. 5

      Millintarkka tiedemies vai naisia vihaava tasa-arvon vastustaja? Evoluutiopsykologi Markus J. Rantalan teoriat naisista ja parinmuodostuksesta saavat monet raivoihinsa

      Tilaajille
    6. 6

      Postin lakko vaikuttaa myös asumiseen: Jenni Timonen uhkaa jäädä vauvansa kanssa kodittomaksi, koska pankki ja vuokranantaja eivät jousta

    7. 7

      Peteliuksen anteeksipyynnöstä syntyi rönsyilevä somevääntö, kun ihmiset olivat täysin eri mieltä kaikesta ja kaikesta muustakin

    8. 8

      Helsingin seutua odottaa maanantaina liikennekaaos – Nämä alueet lakko rampauttaa pahiten

    9. 9

      Kiinasta tilattujen väärennettyjen Canada Goose -untuvatakkien sisältä on paljastunut haisevia ja mätäneviä ankan osia

    10. 10

      Poliisi iski laittomaan laboratorioon Pietarin lähellä ja takavarikoi noin sadan miljoonan euron arvosta muunto­huumeita

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Viekö väärä ulkonäkö työn? Eeva-Kaisa Metsola on poikkeuksellinen näky, eikä hän suostu tinkimään tyylistään edes työpaikan vuoksi

      Tilaajille
    2. 2

      Millintarkka tiedemies vai naisia vihaava tasa-arvon vastustaja? Evoluutiopsykologi Markus J. Rantalan teoriat naisista ja parinmuodostuksesta saavat monet raivoihinsa

      Tilaajille
    3. 3

      Kiinasta tilattujen väärennettyjen Canada Goose -untuvatakkien sisältä on paljastunut haisevia ja mätäneviä ankan osia

    4. 4

      Postin lakko vaikuttaa myös asumiseen: Jenni Timonen uhkaa jäädä vauvansa kanssa kodittomaksi, koska pankki ja vuokranantaja eivät jousta

    5. 5

      Helsingin keskustan arvoasunnot jäävät tyhjilleen yhä useammin: Jo joka kolmas on vailla vakituista asukasta

    6. 6

      Helsingin poliisille tehty useita tutkintapyyntöjä vanhoista tv-sarjoista

    7. 7

      Helsingin seutua odottaa maanantaina liikennekaaos – Nämä alueet lakko rampauttaa pahiten

    8. 8

      Alastomuus häviää somesta, se johtuu kiistellystä amerikkalaisesta laista, joka ulottaa vaikutuksensa nyt myös suomalaisten elämään

    9. 9

      Pääkaupunkiseudun bussi­liikenne halvaantuisi, risteilylaivoja jäisi satamaan – Grafiikka näyttää, miten lakot uhkaavat laajentua maanantaina

    10. 10

      Kolmen lapsen hengen vaatineen Levin mökkipalon onnettomuustutkinta valmistui: ”Tulosten pitäisi kiinnostaa kaikkia, jotka vuokraavat mökkejä”

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Natalia Salmela seisoi teininä leipä­jonossa mutta omistaa nyt 31-vuotiaana hulppean loft-asunnon Helsingistä

      Tilaajille
    2. 2

      Viekö väärä ulkonäkö työn? Eeva-Kaisa Metsola on poikkeuksellinen näky, eikä hän suostu tinkimään tyylistään edes työpaikan vuoksi

      Tilaajille
    3. 3

      Jätkäsaaren palkituista taloista muutetaan pois mystisten oireiden vuoksi, omistaja kiistää ongelmat

      Tilaajille
    4. 4

      Noituudesta on tullut osa uutta feminismiä – selvitimme miksi

      Tilaajille
    5. 5

      Tuore video näyttää: Hermosoluteknologian lisäksi maailman nuorimpana yliopistosta valmistuva Laurent Simons, 9, tykkää koirastaan ja Fortnite-pelistä

    6. 6

      Moni tuntee ihmisen, joka haluaa olla aina oikeassa – Psykoterapeutti neuvoo, miten pätijän kanssa pärjää

      Tilaajille
    7. 7

      Raamattu-siteeraus voi olla rikos, sanoo valtakunnan­syyttäjä: ”Ei pyhien kirjojen avulla saa loukata toisen ihmisarvoa”

    8. 8

      ”Anteeksi, äitini on ulkomaalainen”: HS:n kirjeenvaihtajan lapsi muutti Pekingiin ja on jo joutunut rauhoittelemaan paikallisia kiinaksi

    9. 9

      Patologina Auschwitzissa toiminut juutalaislääkäri kuvaa Josef Mengelen toiminnan järjettömyyden ja säälimättömyyden rehellisesti

    10. 10

      Japanilaiset ovat pakkautuneet miljoona­kaupunkeihin, mutta niiden ulkopuolella avautuvat valtavat metsät – HS:n erikoisartikkeli vie japanilaiseen metsäterapiaan

      Tilaajille
    11. Näytä lisää