Kvanttitietokone

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

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 kvantimekaniikan mallintaminen[1]

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.

Kubitit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[2] Kubitit pysyvät tilassaan nin lyhyen aikaa, että vaaditaan keinoja, joilla niiden pysymistä superpositiossa voidaan joko jatkaa, tai tehdä järjestelmä muuten virheensietokykyisemmäksi. Toivottavaa olisi suorittaa koko lasku mahdollisimman vähillä operaatoilla (joista jokainen osaltaan horjuttaa kubitin tilaa) sekä ajallisesti nopeasti. .[3]

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.[4]

Suprajohtavuuta ja Josephsonin liitosta hyödyntämällä voidaan luoda normaaliin virtapiiriin oskillaattori, joka toimii kubittina. Tätä menetelmää on hyödyntänyt muun muassa yritys D-Wawe Systems. [5]

Virheenhallinta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuten edellä todettiin, ovat kubitit altiitta ulkoisille häiriöille. Niiden sietokykyä järjestelmässä voidaan kasvattaa muodostamalla loogiset kubitit useista, yksittäisitä, fyysisistä kubiteistä. Tällöin, paitsi että yksittäisen fyysisen kubitin pilaava häiriö ei riitä estämään laskun etenemistä, myös kubittien tilojen seuranta voidaan suorittaa yksi fyysinen osa kerrallaan, näin vähentäen ryhmän yksittäiseen jäseneen kohdistuvaa rasitusta. Ja täten kasvattaen sen "eliniänodotetta".[6]

Algoritmit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Kvanttilaskenta

Laskenta perustuu aplitudien interferenssiin. Tavoitteena on saada matemaattinen ongelma sellaiseen muotoon, että kvantitietokoneessa oikea vastaus vahvistaa itseään, kun taas väärät vastaukset päinvastoin pyrkivät heikentämään itseään. Jos ongelmaa ei voida saattaa tällaiseen muotoon, kvanttitietokoneella ei luultavasti voida saada mitään nopeusetua. [1]

Kehitys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. [7] Vuonna 2013, D-Wave:n 512-kubitin kvanttitietokoneen ostivat mm. Lockheed Martin ja Google [8].

Techforecast-asiantuntijapaneeli arvioi kvanttitietokoneiden olevan yleisesti käytössä 2020-luvulla.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b John Horgan: Scott Aaronson Answers Every Ridiculously Big Question I Throw at Him 21.4.2016. Scientific American. Viitattu 5.6.2016.
  2. Sank 11-14
  3. Sank 16
  4. Sank 16-19
  5. Sank 20-25
  6. Sank 29-32
  7. http://scottaaronson.com/blog/?p=198
  8. Google Buys a Quantum Computer Bits. 16 May 2013. The New York Times. Viitattu 3 June 2013.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]