ARTIKKELIT
Kvanttitietokone osana suurvaltakamppailua TEKSTI: TOMMI TENKANEN
Kvanttifysiikka ja siihen perustuvat teknologiat ovat ajankohtainen aihe. Yhdistyneet kansakunnat on julistanut vuoden 2025 kvanttitieteen ja -teknologian vuodeksi, ja niin Suomi kuin Euroopan unioni ovat vastikään julkistaneet omat kvanttistrategiansa. Kvanttitietokoneiden vallankumouksellinen potentiaali ratkaista vaikeita laskennallisia ongelmia ja luoda ympärilleen uutta teknologiaa on herättänyt suurvallat keskinäiseen teknologiakamppailuun. Kiina ja Yhdysvallat kohdistavat tällä hetkellä suuria panostuksia kvanttiteknologiaan.
K
vanttitietokoneen toiminta perustuu atomien mittakaavassa vallitsevien kvanttifysiikan lainalaisuuksien hyödyntämiseen. Toisin kuin tavallinen tietokone, kvanttitietokone operoi bittien sijaan kvanttibiteillä eli kubiteilla, joiden tila ei ole rajattu ykköseen ja nollaan kuten tavanomaisessa tietokoneessa. Binääristen vaihtoehtojen sijaan kubitit voivat olla kvanttifysiikan sallimassa superpositiossa, jossa kubittien tila on 1 ja 0 samaan aikaan. Tämä mahdollistaa tilanteen, jossa kahdella kubitilla voidaan kuvata neljää klassista tilaa samanaikaisesti (00, 01, 10, 11), kolmella jo kahdeksaa, neljällä kuuttatoista ja niin edelleen. Jokainen uusi kubitti kaksinkertaistaa määrän, eli kuvattavien ratkaisujen määrä kasvaa eksponentiaalisesti kubittien määrän mukaan. Seurauksena on ongelmanratkaisuun merkittävä, jopa eksponentiaalinen tehokkuushyöty, kun kvanttitietokone pystyy kuvaamaan kaikkia ratkaisuvaihtoehtoja samaan aikaan jo verrattain pienellä kubittimäärällä. Oletetaan, että kvanttitietokone kykenee ratkaisemaan vain sekunneissa tai minuuteissa ongelmia, joihin parhaimmillakin kuviteltavissa olevilla supertietokoneilla ku-
luisi tuhansia tai jopa miljardeja vuosia. Tästä syystä teknologiaa pidetään disruptiivisena. Lupaavimpia käyttökohteita odotetaan olevan erityyppisissä optimointitehtävissä, sekä esimerkiksi realistiseen molekyylimallinnukseen perustuvassa ja tehokkaammassa materiaalien kehityksessä. Myös virtausmallinnuksen odotetaan olevan merkittävä sovellusalue, sillä kvanttitietokoneet saattavat nostaa esimerkiksi lentokoneiden aerodynamiikan tai vesialusten hydrodynamiikan mallinnuksen kokonaan uudelle tasolle. Potentiaali on kaupallisesti merkittävä: globaalisti markkinan on ennustettu kasvavan nykyisestä reilusta miljardista yli sataan miljardiin dollariin vuoteen 2040 mennessä.
Haasteet kvanttiedun tiellä
Odotuksista huolimatta tähän mennessä rakennetuilla kvanttitietokoneilla ei ole kyetty saavuttamaan kvanttietua, eli ylivoimaista ongelmanratkaisukykyä tavanomaisiin supertietokoneisiin verrattuna, ainakaan käytännön ongelmissa. Merkittävin syy on kubittien toistaiseksi heikko laatu, jonka myötä kubittien tila saattaa muuttua arvaamattomasti tai niiden kvanttitila romahtaa 33
TOMMI TENKANEN
kokonaan, jolloin superpositioon perustuvaa tehokkuushyötyä ei saavuteta. Toinen syy on tunnettujen kvanttialgoritmien rajallinen määrä. Ilman sopivia algoritmeja kvanttitietokoneen antama vastaus on enemmän tai vähemmän satunnainen, jolloin laskenta muuttuu merkityksettömäksi. Tunnettuja algoritmeja ovat jäljempänä käsiteltävä Shorin algoritmi sekä niin kutsuttu Groverin algoritmi, jonka avulla tietoa voidaan hakea klassisia menetelmiä tehokkaammin. Niiden uskotaan toimivan aikanaan hyvin. Todennäköisesti kvanttitietokone soveltuu käytettäväksi vain rajalliseen joukkoon ongelmia. Niihin sovellettaessa se voi kuitenkin tuoda eksponentiaalista hyötyä ongelmanratkaisun tehokkuuteen. Tutkijoiden tehtävänä on löytää oikeat algoritmit oikeille ongelmille. Kehitys on viime vuosina ollut kubittien laadun osalta nopeaa. Merkittävä edistysaskel alalla nähtiin joulukuussa 2024, kun teknologiayhtiö Google julkis-
Kylkirauta 4/2025