Uuden kvanttiajan aamunkoitto

Esihistoriallisia aikakausia on nimetty yleisesti käytetyn työkalun materiaalin mukaan. Kivikausi ja rautakausi ovat varmasti kaikille tuttuja käsitteitä. Nykyisin työkalut ja laitteet nojaavat moneen erilaiseen teknologiaan ja siten vastaavan aikakauden nimeäminen yhden materiaalin tai teknologian mukaan ei ole mielekästä.

Jos hetkeksi hyväksymme tällaisen nimeämiskäytännön ja heittäydymme kvanttifysiikan pauloihin, niin tätä aikakautta voi kutsua MEKEKVA-aikakaudeksi.

Termi on tänä suomenkielisenä versiona käytössä ensimmäistä kertaa tässä kirjoituksessa. Englanninkielinen NISQ otettiin kvanttifyysikoiden piirissä käyttöön muutama vuosi sitten ja se tulee sanoista Noisy Intermediate-Scale Quantum. MEKEKVA tulee siten sanoista Meluisa Keskikokoinen Kvantti.

Ennen MEKEKVAN merkitykseen pureutumista täytynee muistuttaa, että kvanttifysiikkaan nojaavaa teknologiaa on käytetty jo vuosikymmeniä. Esimerkiksi elektroniikalle elintärkeitä puolijohdekomponentteja tuskin olisi pystytty kehittämään ilman kvanttifysiikan ymmärrystä. Mutta nykyisin varsinaisella kvanttilaitteella tarkoitetaan sellaista laitetta, jonka toiminta nojaa suoraan kvanttifysiikan keskeisiin ilmiöihin, kuten kvanttitilojen superpositioon ja lomittumiseen.

Kvanttifyysikko luokittelee kvanttisysteemejä niiden dimension mukaan, joka on ykköstä suurempi kokonaisluku tai ääretön.

Dimensio kuvaa systeemin monimutkaisuutta, ei sen fyysistä kokoa. Saman dimensioiset systeemit noudattavat samaa kvanttifysiikkaa, vaikka ne muuten olisivat hyvin erilaiset. Suurin osa kvanttilaitteista operoi kvanttibiteillä, joita kutsutaan kubiteiksi. Kubitti on yksikertaisin kvanttisysteemi, eli sen dimensio on kaksi. Dimensio kasvaa kuitenkin nopeasti, kun kubitteja kootaan yhteen: kymmenen kubitin yhteinen dimensio on jo yli tuhat. Tämä dimension kasvaminen on yksi kvanttilaitteiden tehokkuuden kulmakivistä.

Mitä MEKEKVA-aikakausi käytännössä tarkoittaa?

Parhaat tämän hetken ohjelmoitavat kvanttilaitteet operoivat kontrolloidusti noin viittäkymmentä kubittia. Tämä on huomattava edistys muutaman kubitin laitteista, mutta vielä kaukana tuhannen tai usean tuhannen kubitin täysikokoisesta kvanttitietokoneesta. Jotkut nykyisistäkin laitteista operoivat jo tuhatta kubittia, mutta silloin kubitteja voi käyttää ainoastaan rajoitetulla tavalla tiettyyn tarkoitukseen.

Kubittien määrä ei olekaan yksiselitteinen vertailun kriteeri, sillä kubitteja voidaan toteuttaa erilaisilla fysikaalisilla systeemeillä ja niillä kaikilla on hyvät ja huonot puolensa. Olennaista on se, mitä laitteella pystyy tekemään.

Kubitit ovat sitä hyödyllisempiä mitä vähemmän niissä on häiriöitä eli melua. Mitä pidempi lasku kvanttitietokoneella halutaan laskea, sitä vähemmän häiriöitä sen toiminnassa saa olla. Nykyisissä laitteissa melua pystytään osittain hallitsemaan, mutta ne ovat silti vielä luonteeltaan meluisia. Häiriöiden poistaminen onkin yksi olennaisimmista haasteista tutkijoille. Tyypillisesti kvanttilaite jäähdytetään hyvin kylmäksi häiriöiden vähentämiseksi.

Tavallisen tietokoneen kohdalla puhutaan raudasta ja softasta, eli varsinaisesta fyysisestä laitteesta ja sen toimintaa ohjaavasta ohjelmistosta. MEKEKVAn käsite liittyy kvanttipuolen rautaan. Parhaan tehon saavuttamiseksi kvanttitietokone tarvitsee kvanttisoftan.

Kvanttialgoritmi on sellainen kvanttilaitteelle suunniteltu toimintaohje, joka hyödyntää sen kvanttiominaisuuksia ja antaa sille edun tavallisiin tietokoneisiin verrattuna. Tunnetuin kvanttialgoritmi on Shorin algortimi, jonka Peter Shor keksi jo vuonna 1994. Shorin algoritmia on testattu käytännössä jo pienillä kvanttilaitteilla, mutta sen todelliseen käyttöön soveltuvaa kvanttitietokonetta ei vielä ole rakennettu.

Kvanttialgoritmien tutkimus on yhtä tärkeää kuin kvanttilaitteiden kehittely, sillä ilman edistyksellisiä kvanttialgoritmeja paraskin kvanttitietokone on ainoastaan tavallisen tietokoneen veroinen. Kvanttiteknologian teoreettisia kysymyksiä tutkitaan myös Turussa. Professori Sabrina Maniscalcon johtama Turku Quantum Technology -tutkimusryhmä on osa Suomen Akatemian Quantum Technology Finland -huippuyksikköä.

Google raportoi hiljattain suorittaneensa omalla kvanttilaitteellaan laskun, joka supertietokoneella veisi 10 000 vuotta. Asiantuntijapiireissä Googlen tuloksia vielä pureskellaan ja ongelman väitetystä vaikeudesta supertietokoneelle kiistellään. On kuitenkin selvää, että kyseessä oli yksi kvanttilaskennan parhaista saavutuksista ja vastaavia suorituksia raportoidaan varmasti lisää lähitulevaisuudessa.

Näyttää lupaavasti siltä, että seuraavan kymmenen MEKEKVA-vuoden aikana kvanttilaitteilla pystytään tekemään jotakin mullistavaa.

Teiko Heinosaari
Kirjoittaja on kvanttifysiikan tutkija ja Turun yliopiston teoreettisen fysiikan dosentti