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 kvanttimekaniikan mallintaminen[1]

Taustaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Niinkin aikaisin kuin 1959 amerikkalainen fyysikko ja Nobelin voittaja Richard Feynman huomasi, että kun elektroniset osat alkavat pienenemään mikroskooppiseen mittaluokkaan niin kvanttimekaniikan ilmiöt tulevat yhä merkittävämmiksi. Hän vihjasi, että niitä voisi käyttää yhä tehokkaampien tietokoneiden suunnittelussa. Erityisesti kvanttitietokonetutkijat toivovat pystyvänsä valjastamaan ilmiön nimeltä superpositio. Kvanttimekaniikan maailmassa objekteilla ei välttämättä ole selkeästi määrittynyttä tilaa, kuten asiaa demonstroi kuuluisa koe, missä yksi valon fotoni menee valokuvauslevyn läpi, jossa on kaksi rakoa — tuottaen interferenssikuvion tai superposition kaikista mahdollisista reiteistä (Katso kaksoisrakokoe). Kuitenkin kun yksi rako on suljettu tai havaintolaitetta käytetään tutkimaan kumpaa reikää pitkin fotoni kulki interferenssikuva katoaa. Seurauksena kvanttijärjestelmä "on olemassa" kaikissa mahdollisissa tiloissa ennen kuin mittaus "romahduttaa" järjestelmän yhteen tilaan. Tämän ilmiön valjastaminen tietokoneessa mahdollistaa tietokoneiden laskentakykyjen suuren laajenemisen. Perinteinen binääritietokone käyttää binäärilukuja tai bittejä, jotka voivat olla kahdessa tilassa, jotka esitetään 0 ja 1:senä; näin ollen 4-bittinen tietokonerekisteri voi pitää sisällään minkä tahansa 16 () mahdollisesta numerosta. Vastakohtana kvanttibitti (kubitti) on olemassa aallontapaisessa superpositiossa arvojen 0 ja 1 välillä; näin ollen 4-kubittinen tietokonerekisteri voi pitää 16:sta eri lukua samanaikaisesti. Teoriassa kvanttitietokone voi näin ollen käyttää monia lukuja rinnakkaisesti, joten 30-kubittinen tietokone olisi verrattavissa digitaalisen tietokoneeseen, joka voi suorittaa 10 biljoonaa terafloppia sekunnissa (TFLOPS) — mikä on verrattavissa nopeampiin supertietokoneisiin.[2]

1980-luvun ja 1990-luvun 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, joka vaatisi niinkin vähän kuin 6 kubittia (kylläkin paljon suurempi määrä kubitteja vaadittaisiin siihen, että niitä pystyttäisiin jakamaan kohtuullisessa ajassa). Kun käytännöllinen kvanttitietokone rakennetaan, se tulee rikkomaan nykyisen kryptografian metodit, jotka perustuvat kahden alkuluvun kertomiseen; tämän kompensoinniksi kvanttimekaaniset ilmiöt tarjoavat uudet tavat turvalliselle viestinnälle, jota kutsutaan kvanttikryptografiaksi. Kuitenkin oikean kvanttitietokoneen rakentaminen on osoittautunut vaikeaksi. Vaikka niiden potentiaali on valtava, ovat myös niiden vaatimukset. Kvanttitietokoneen täytyy ylläpitää koherenssia kubittien välillä (tunnetaan kvanttilomittumisena) tarpeeksi pitkän aikaa, että algoritmi saadaan suoritettua. Miltei vääjäämättömästi tapahtuvat vuorovaikutukset ympäristön kanssa (dekoherenssi) tuhoavat koherenssin. Täytyy siis kehittää käytännöllisiä metodeita virheiden havaitsemiseen ja korjaamiseen. Viimeiseksi, koska kvanttijärjestelmän mittaaminen häiritsee sen tilaa, luotettavia metodeita tiedon louhimiseen täytyy kehittää.[2]

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. Tilannetta havainnollistetaan tavallisesti Schrödingerin kissan nimellä tunnetulla ajatuskokeella.

Kvanttitietokoneet tekevät laskentaa mittaamalla esimerkiksi atomin tai subatomisen hiukkasen spiniä. Näiden hiukkasten varaukset voidaan ilmasta 0, 1 tai mikä tahansa niiden välissä oleva tila, jotka ovat kykeneviä pitämään kahta tai useampia tiloja samanaikaisesti (tätä ominaisuutta kutsutaan superpositioksi). Kvanttitietokoneissa laskennan perusyksikkönä on kubitti, joka on johdettu kvanttibitistä.[3]

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. Kvanttitietokoneiden ideaa esitti ensimmäisten joukossa Richard Feynman; onnistuneet kokeet kvanttitietokoneiden saralla alkoivat 1990-luvun jälkipuoliskolla. Kyky suorittaa suuria määriä laskutoimituksia ja tehokkuus rinnakkaisprosessoinnissa tarkoittaa, 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.[3]

Superpositio mahdollistaa sen, että kvanttitietokoneilla on potentiaalia ratkaista joitain ongelmia nopeammin kuin klassisilla tietokoneilla: 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. Kuuluisin 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, jolloin kvanttitietokoneella kyetään ratkaisemaan vain sellaisia ongelmia joiden vastaus löytyy yhdellä kysymyksellä. Useampia kysymyksiä ongelman ratkaisemiseksi ei siis voida kysyä.

Kubitit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kubittien superpositioita

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.[4] Kubitit pysyvät tilassaan niin lyhyen aikaa, että vaaditaan keinoja, joilla niiden pysymistä superpositiossa voidaan joko jatkaa, tai tehdä järjestelmä muuten virheensietokykyisemmäksi. Toivottavaa olisi suorittaa koko lasku mahdollisimman vähillä operaatioilla (joista jokainen osaltaan horjuttaa kubitin tilaa) sekä ajallisesti nopeasti. .[5]

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.[6]

Suprajohtavuuta ja Josephsonin liitosta hyödyntämällä voidaan luoda normaaliin virtapiiriin oskillaattori, joka toimii kubittina. Tätä menetelmää on hyödyntänyt muun muassa yritys D-Wawe Systems. [7]

Virheenhallinta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuten edellä todettiin, ovat kubitit alttiitta ulkoisille häiriöille. Niiden sietokykyä järjestelmässä voidaan kasvattaa muodostamalla loogiset kubitit useista, yksittäistä, 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".[8]

Algoritmit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Kvanttialgoritmi

Laskenta perustuu amplitudien interferenssiin. Tavoitteena on saada matemaattinen ongelma sellaiseen muotoon, että kvanttitietokoneessa 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]

Toteutustapoja[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suunnitelmia kvanttitietokoneiden rakentamiseen on ehdotettu. Vaikka moni niistä demonstroi perusperiaatteet, mikään niistä ei ole edistynyt kokeellisen käytön ohitse. Kolme lupaavinta lähestymistapaa esitetään alla ydinmagneettinen resonanssi (NMR)[9], ioniloukut ja kvanttipisteet.[2]

Vuonna 1998 Isaac Chuang Los Alamos National Laboratory:sta, Neil Gershenfeld Massachusetts Institute of Technology:sta (MIT) ja Mark Kubinec Kalfornian yliopistosta Berkleyssä kehittivät ensimmäisen kvanttitietokoneen (2-kubittinen) johon voisi syöttää dataa ja saada ulostulossa ratkaisun. Vaikka heidän järjestelmänsä oli koherentti vain muutaman nanosekunnin ja triviaali kun asiaa tarkastellaan merkittävien ongelmien ratkaisemisen näkökannalta, se demonstroi kvanttitietokoneiden toimintaperiaatteita. Sen sijaan, että he eristäisivät subatomisen hiukkasen he hajottivat suuren määrän kloroformi molekyylejä (CHCL3) huoneenlämpöiseen veteen ja käyttivät magneettikenttää sen hiili ja vetyatomien spinien orientoimiseen.[9] (Koska normaalilla hiilellä ei ole magneettista spiniä, heidän ratkaisunsa käytti isotooppi hiili-13:sta.) Spin samansuuntaisena ulkoista magneettikenttää vasten voitiin tulkita 1:senä ja vastasuuntaan spin 0:llana ja vety-ydintä ja hiili-13 ydintä voitiin kollektiivisesti pitää 2-kubittisena järjestelmänä. Ulkoisen magneettikentän lisäksi radiotaajuista pulssia käytettiin spin tilojen "täyskäännökseen" näin ollen 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, että he olivat luoneet 7-kubittisen tietokoneen käyttämällä trans-krotonaldehydi happoa. Kuitenkin monet tutkijat ovat skeptisiä tämän magneettisen menetelmän laajentamisesta yli 10 ja 15 kubitin, koska koherenssi pienenee nopeasti atomiytimissä.[2]

Vain viikon ennen 7-kubitin tietokoneen julkaisemista fyysikko David Wineland ja hänen kollegansa (NIST):stä kertoivat tehneensä 4-kubitin kvanttitietokoneen lomittamalla neljä ionisoitunutta beryllium atomia elektromagneettiseen "loukkuun". Vangittuaan ionin lineaarisella järjestelyllä laseri jäähdytti hiukkaset lähelle absoluuttista nollapistettä ja synkronisoi niiden spin tilat. Lopuksi laserilla lomitettiin hiukkaset luoden superposition spin ylös ja spin alas tilojen välillä samanaikaisesti kaikille neljälle ionille. Jälleen tämä demonstroi kvanttitietokoneiden perusperiaatteet, mutta tämän tekniikan mittakaavan laajentaminen käytännöllisiin mittasuhteisiin on edelleenkin ongelmallista.[2]

Kvanttitietokoneet jotka perustuvat puolijohteisiin ovat myös yksi 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 tarjoavat mahdollisuudet siihen, että niihin voidaan soveltaa integroitujen piirien "mittakaavan" teknologiaa. Lisäksi suuri joukko identtisiä kvanttipisteitä voitaisiin mahdollisesti tehdä yhdelle sirulle. Siru ohjaa ulkoista magneettikenttää, joka kontrolloi elektronin spin tiloja samaan aikaan kuin naapurielektronit ovat heikosti pariutuneita (lomittuneita) kvanttimekaanisten ilmiöiden seurauksena. Kokoelma päällekkäisiä elektrodi johtoja sallii yksittäisten kvanttipisteiden osoittamisen, algoritmien suorittamisen ja lopputuloksen päättelemisen. Sellaista järjestelmää täytyy käyttää lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollapistettä, että ympäristön dekoherenssi saataisiin minimoitua, mutta sillä on potentiaalina sisältää erittäin suuri määrä kubitteja.[2]

Tulevaisuudessa kvanttitietokoneita mahdollisesti käytetään koodinmurtamisessa (katso kryptografia) ja suurien tietokantojen hakemisessa. Teoreetikot kemiassa, tietojenkäsittelytieteessä, matematiikassa ja fysiikassa työstävät kvanttitietokoneiden rajoituksia ja mahdollisuuksia.[9]

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. [10] Vuonna 2013, D-Wave:n 512-kubitin kvanttitietokoneen ostivat mm. Lockheed Martin ja Google [11].

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. a b c d e f Holton, William Coffeen: quantum computer. Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite, 2015. ISBN 978-1625132963. (englanniksi)
  3. a b quantum computing. Versio 16.00 Windows XP, 2000, 9x, Me, and NT. 2003 Grolier Multimedia Encyclopedia, Grolier Interactive Inc, 2002. ISBN 043965419. (englanniksi)
  4. Sank 11-14
  5. Sank 16
  6. Sank 16-19
  7. Sank 20-25
  8. Sank 29-32
  9. a b c Snyder, Timothy Law: ”XIV. The future of computers”, Computer. Artikkeli: Computer. Encarta Multimedia Encyclopedia, Microsoft® Student 2009 [DVD], 2009. (englanniksi)
  10. Aaronson, Scott: The Orion Quantum Computer Anti-Hype FAQ (Scott Aarsonin blogi, jossa kritisoidaan mm. D-wave:n kvanttitietokoneita.) Viitattu 22.7.2016. (englanniksi)
  11. Hardy, Quentin: Google Buys a Quantum Computer The New York Times. 2013. Viitattu 3.6.2013. (englanniksi)

Kirjallisuutta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kvanttitietokone.
  • Seigfried, Tom: The Bit and the Pendulum: From Quantum Computing to M Theory. , 2000. (englanniksi)
  • Brown, Julian: Kvanttitietokone. (Minds, machines and the multiverse: The quest for the quantum computer, 2000.) Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Terra cognita, 2001. ISBN 952-5202-42-9.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]