Teknologiayhtiö Google esitteli viime kuussa kvanttisirun, joka kykenee ratkaisemaan perinteiselle tietokoneelle käytännössä mahdottoman laskutoimituksen. Googlen siru julistettiin heti teknologiseksi läpimurroksi.
Kvanttilaskennassa näitä läpimurtoja on tapahtunut viime vuosina useita. Vauhti tuntuu kiihtyvän.
Mutta kuinka monta läpimurtoa kvanttilaskenta vielä vaatii?
– Googlen prosessorista ei välttämättä vielä saada mitään käytännön hyötyä puristettua ulos, mutta se alkaa olla tosi lähellä, sanoo Aalto-yliopiston ja VTT:n kvanttiteknologian professori Mikko Möttönen.
Matka on ollut pitkä. Vuonna 1981 fyysikko Richard Feynman esitti idean tietokoneesta, joka laskisi kvanttien avulla. Ensimmäinen kvanttibitti eli kubitti rakennettiin vuonna 1998. Se synnytti buumin kvanttilaskennassa. Kesti kuitenkin vielä toiset parikymmentä vuotta ennen kuin kvanttitietokoneista alkoi olla mihinkään.
– Luulin, ettei minun elinaikanani näistä tule kalua. Mutta eksponentiaalinen kehitys on aika uskomatonta, Möttönen naurahtaa.
Ensimmäinen kubitti pysyi vakaana alle nanosekunnin. Möttösen tutkijaryhmä sai kesällä kasvatettua kubitin koherenssiajan millisekuntiin. Se on miljoonakertainen kasvu.
Kvanttilaskennassa valtavatkin harppaukset ovat pieniä.
Kvanttitietokoneen kehityksen lähivuodet selkeät
Kvanttilaskennassa kehitys tapahtuu nyt kahdella rintamalla: laitteistossa ja ohjelmistossa.
Möttösen mukaan laitteiston puolella lähitulevaisuuden kehityskaari on selkeä.
– Ei ole nähtävissä, että rautakehitys törmäisi seinään, hän sanoo.
Googlen Willow-siru on yksi virstanpylväs tässä kehityksessä. Se osoitti, että kvanttilaskennassa syntyvä kohina voidaan saada kuriin. Tätä osattiin odottaa, mutta todiste asiasta oli mukava saada.
Tässä kohtaa pitää hieman avata kvanttitietokoneen toimintaperiaatetta.
Kvanttitietokone tekee laskutoimituksen kubiteilla. Siinä missä perinteisessä tietokoneessa oleva bitti voi olla joko ykkönen tai nolla, kubitti voi olla mitä tahansa tältä väliltä.
Kubitti on fyysisesti informaation pienin yksikkö. Pienikin häiriö muuttaa sen tilaa. Tämä tekee kvanttilaskennasta virheherkkää. Yksi ratkaisu tähän ongelmaan on virheenkorjaukseksi kutsuttu tekniikka.
– Ihmiset ovat luottaneet virheenkorjauksen teoriaan kuin kivi seinään. Minulla on ollut pieniä epäilyksiä, että onkohan se näin helppoa, mutta niin vain Google näytti, ettei siellä ollut mitään ylimääräistä estettä, Möttönen sanoo.
Algoritmi voi herättää hyödyttömän kvanttikoneen eloon
Googlen kvanttisiru toimii siten, että se luo useilla fyysisillä kubiteilla yhden loogisen kubitin. Yksinkertaistettuna voidaan sanoa, että epäluotettavilla ja häiriöherkillä fyysisillä kubiteilla luodaan yksi luotettava looginen kubitti. Googlen läpimurto on siinä, että tämä looginen kubitti muuttuu sitä vakaammaksi, mitä enemmän fyysisiä kubitteja siihen lisätään.
Willow-siru käyttää 105 fyysistä kubittia yhden loogisen kubitin luomiseen. Eri arvioiden mukaan hyödyllinen kvanttitietokone vaatisi loogisia kubitteja joitakin satoja. Monimutkaisemmat laskut, kuten esimerkiksi salausalgoritmien murtaminen, vaatisivat jo tuhansia loogisia kubitteja.
Tämä tarkoittaa satojatuhansia tai peräti miljoonia fyysisiä kubitteja.
Nykyiset kvanttitietokoneet sisältävät joitakin kymmeniä kubitteja. Vuosi sitten tietokoneyhtiö IBM rikkoi ennätyksen, kun se esitteli 1 125 kubitin kvanttikoneen. Siitä saisi Googlen teknologialla kourallisen loogisia kubitteja.
Mutta laadun voi kenties korvata määrällä.
Jos kvanttikoneella pyörivä algoritmi saadaan sietämään kohinaa, vähempi kubittimäärä voisi riittää kvanttihyödyn saavuttamiseen, sanoo suomalaisen kvanttistartupin QMillin algoritmijohtaja Toni Annala.
– Jos me haluamme lyhyellä tähtäimellä hyötyä, meidän pitää keskittyä algoritmeihin, jotka eivät tarvitse ollenkaan tai tarvitsevat hyvin vähän virheenkorjausta, Annala sanoo.
Ajatuksena on siis suorittaa laskutoimitus kohinaisilla kubitella sen sijaan, että niitä käytettäisiin vakaiden loogisten kubittien luomiseen. QMill etsii tällaista kohinaa sietävää algoritmia, joka kykenee suorittamaan laskun käytössä olevalla kubittimäärällä.
– Ei ole mitään teoreettista estettä, etteikö näille nykyisille koneille voisi löytää hyödyllisen algoritmin, toteaa QMillin teknologiajohtaja Ville Kotovirta.
Algoritmipuolella yksi läpimurto voi kerrasta tehdä kvanttitietokoneesta hyödyllisen.
– Nyt ollaan aikaikkunassa, jossa voi keksiä jonkun jymyjutun ja siten tehdä tavallaan hyödyttömästä koneesta yhtäkkiä hyödyllisen, sanoo Möttönen, joka on myös yksi QMillin perustajista Annalan ja Kotovirran kanssa.
Muutama läpimurto vielä
Googlen Willow-siru onnistui ajamaan algoritmin, jonka suorittamiseen kuluisi maailman nopeimmalta supertietokoneelta 10 000 000 000 000 000 000 000 000 vuotta. Tästä huolimatta mistään algoritmisesta läpimurrosta ei voida puhua.
– Siinä oli valittu hyvin harkiten ongelma, että siinä saatiin maksimaalinen ero näiden kahden laskentatavan välillä, huomauttaa Suomen kvanttilippulaivan johtaja Peter Liljeroth.
Hyödyllisen ongelman löytäminen on yksi kvanttilaskennan haasteista.
Klassiseen laskentaan verrattuna kvanttitietokone loistaa ongelmissa, jotka monimutkaistuvat eksponentiaalisesti. Tästä hyvä esimerkki on kauppamatkustajan ongelma. Siinä kauppamatkustajan on suunniteltava itselleen mahdollisimman lyhyt reitti usean kaupungin kautta. Jokainen reitille lisättävä uusi kaupunki kasvattaa mahdollisten reittivaihtoehtojen määrää ekspotentiaalisesti.
Esimerkiksi fysiikan tutkimus on täynnä tämänkaltaisia ongelmia. Täytyy vain löytää oikea ongelma ratkaistavaksi.
Vuosi sitten maaliskuussa Google käynnisti kilpailun, jossa etsitään käyttötarkoituksia kvanttitietokoneelle. Finalistien on esitettävä tarkat tekniset tiedot ja todistettava, että kvanttitietokone olisi nopeampi tai tarkempi tehtävässä kuin perinteinen tietokone. Jaossa on viisi miljoonaa dollaria.
Viime viikolla kvanttilaskentaa kehittävät yhtiöt saivat markkinoilta kylmää kyytiä, kun puolijohdevalmistaja Nvidian toimitusjohtaja Jensen Huang totesi, että kvanttitietokoneiden hyöty on vielä yli 15 vuoden päässä. Isojen kvanttitietokoneyhtiöiden osakekurssit sukelsivat keskimäärin 40 prosenttia.
Liljeroth huomauttaa, että kvanttihyöty on veteenpiirretty viiva.
Jensenin aikajana pitää paikkansa tunnettujen kvanttialgoritmien suorittamiseen. Esimerkiksi nykyaikaiset salaukset murtava Shorin algoritmin ajaminen on nykyisellä rautakehityksellä vielä pitkällä ensi vuosikymmenellä.
Mutta sopivaan ongelmaan kehitetyllä oikealla algoritmilla voi löytyä oikopolku.
Liljeroth uskoo, että kvanttilaskennan hyötyihin ei ole enää pitkä aika, ehkä noin viitisen vuotta.
– Puhutaan ennemmin suuruusluokassa muutama läpimurto kuin muutama kymmenen läpimurtoa, hän sanoo.
