Kvanttitietokoneen toimintaa on kohtalaisen mahdoton selittää selkeästi varsinkin ilman matematiikkaa ja lyhyessä julkaisussa. Tämän sanottuani aion kuitenkin yrittää, mutta huomatkaa, että tässä on oikaistu useampikin mutka suoraksi – tarkoitus on antaa vain yleistason kuvaus toiminnasta.
Kubitti, kaiken perusta
Normaalissa tietokoneessa on bittejä, joiden arvo on 1 tai 0. Kvanttitietokoneessa sen sijaan on kubitteja, joiden arvo niitä luettaessa on 1 tai 0, mutta itse prosessoinnin aikana kubitit voivat olla yhtä aikaa 1 ja 0. Monesti virheellisesti ajatellaan, että ne ovat ei-missään-tilassa, mutta niillä on tietty todennäköisyys olla enemmän vaikkapa 1 kuin 0 (tai päinvastoin). Kubittia kuvataan usein Blochin pallolla, jossa sen todennäköisyys olla 0 tai 1 näkyy kvanttitilana |ψ⟩ pallon kuorella.
Laskutehon perusta
Kvanttitietokoneen laskuteho perustuu muutamaan ilmiöön. Ensinnäkin vaihto 1:stä 0:aan ja päinvastoin vaatii vähemmän energiaa, koska kubitilla on vain 2 mahdollista energiatilaa. Bittien vastaava vaihtuminen menee lukemattomien välitilojen kautta. Toinen syy on se, että kubitit ovat kaikissa mahdollisissa tiloissa samanaikaisesti, eli ongelman ratkaisu on jo olemassa niissä (Möttönen 2019).
Jos vertaamme klassista tietokonetta ja kvanttitietokonetta esimerkissä, jossa pitää tutkia maaston muotoja ja etsiä vaikkapa matalin kohta, klassinen kone lähettää tutkijan kartoittamaan joka paikan yksi kerrallaan. Kvanttikone puolestaan täyttää maaston vedellä, jota on kaikkialla samaan aikaan. Matalin kohta on se, jossa on eniten vettä. (Veijalainen & Hyytiäinen 2016.) Kvanttitietokone käyttää rinnakkaismaailmankaikkeuksia laskemiseen, mikä siis selittää kubittien ominaisuuden olla monessa tilassa samaan aikaan (Marr 2018).
Minkälainen on kubitti?
Kubitin täytyy olla siis yksikkö, jolla on ominaisuus olla 0 ja 1 samaan aikaan. Kubitin tekemiseen on muutamia vaihtoehtoja. Yksi suosituimmista on suprajohtava Josephsonin liitos, ikään kuin kvanttitransistori. Muita tapoja toteuttaa kubitti ovat muun muassa kvanttipisteet, fotonit ja ioniloukut. Suosituin Josephsonin liitosta käyttävä kubitti on nimeltään Transmon. Se perustuu niin sanottuun Cooperin pariin, johon on enkoodattu kaksi energiatilaa, jotka vastaavat arvoja 0 ja 1. (Walliman 2021.)
Josephsonin liitos vaatii, että se jäähdytetään lähes absoluuttiseen nollapisteeseen (-273°C), jotta tulee esiin suprajohtavuus eli se, että kylmässä johdin johtaa sähköä ilman vastusta. Tämä asettaa vaatimuksia laitteistolle ja lisää huomattavasti niiden kokoa. Josephsonin liitoksessa on suprajohtavat elektrodit ja niiden välissä eristekerros, jonka läpi Cooperin pari tunneloituu. Tunneloituessaan hiukkanen läpäisee energiavallin, jota se ei pystyisi klassisen fysiikan perusteella ylittämään. (Selinummi 2021.) Josephsonin liitoksen etuna on se, että sillä voidaan muodostaa yhtä hiukkasta vastaava kubitti, vaikka se on paljaalla silmällä nähtävä eli huomattavasti helpompi käsitellä kuin esimerkiksi yksi elektroni, joka saattaa olla kvanttipisteen rakenteena.
Kirjoittaja
Tommi Veijalainen toimii tietotekniikan lehtorina LAB-ammattikorkeakoulussa. Hän on opettanut elektroniikkaa ja luonnontieteitä yli 25 vuotta.
Lähteet
D-Wave Systems. 2023. How D-Wave Systems work. Viitattu 30.8.2023. Saatavissa https://www.dwavesys.com/learn/quantum-computing/
Marr, B. 2018. 20 Mind-Boggling Facts About Quantum Computing Everyone Should Read. Forbes 23.2.2018. Viitattu 31.8.2023. Saatavissa https://www.forbes.com/sites/bernardmarr/2018/02/23/20-mind-boggling-facts-about-quantum-computing-everyone-should-read/?sh=55f689175edb
Möttönen, M. 2019. Tiedätkö, miten kvanttitietokone toimii? – Lukemalla tämän saat selville, miksi kubitti voi olla nolla ja ykkönen yhtä aikaa. Tekniikan Maailma 1.8.2019. Viitattu 30.8.2023. Saatavissa https://tekniikanmaailma.fi/tiedatko-miten-kvanttitietokone-toimii-lukemalla-taman-saat-selville-miksi-kubitti-voi-olla-nolla-ja-ykkonen-yhta-aikaa/
Selinummi, S. 2021. Josephsonin liitos suprajohtavien kubittien peruskomponenttina. Kandidaatin työ. Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta, Tampereen yliopisto. Viitattu 31.8.2023. Saatavissa https://trepo.tuni.fi/bitstream/handle/10024/132220/SelinummiSimo.pdf?sequence=2
Veijalainen, T. & Hyytiäinen, J. 2016. Kvanttitietokone on jo täällä. Mikrobitti 24.2.2016. Viitattu 30.8.2023. Saatavissa https://www.mikrobitti.fi/uutiset/kvanttitietokone-on-jo-taalla/4961d1af-239a-3108-9e11-6be58d8af9e9
Walliman, D. 2021. Domain of Science. The Map of Quantum Computing. Viitattu 31.8.2023. Saatavissa https://www.youtube.com/watch?v=-UlxHPIEVqA
