Nimeni on Q, IBM Q

Kuulostaa elokuvamaiselta, eikö vain. Onko nyt alkamassa uusi ajanjakso, joka tulee muuttamaan perinteistä, klassista tietojenkäsittelyä – kenties paradigman muutos? Entä milloin saamme ensimmäiset kvanttitietokoneet markkinoille, jotta pääsemme testaamaan niitä, oppimaan kvanttilaskentaa ja voimme näin paremmin ymmärtää, mihin sitä oikeastaan tarvitsemme?

Nämä kysymykset ryöpsähtävät mieleen, kun seuraa, mistä alan lehdistö parhaillaan kohisee. Kaikki haluavat vastauksia, ja mielellään tietysti heti ja nyt!

Jo vuosi sitten toukokuussa mahdollistimme sen, että kuka tahansa pystyi hyödyntämään 5-kubittista kvanttiprosessoria pilviympäristön kautta ja näin opettelemaan kvanttiteknologiaa – vieläpä ilmaiseksi. Moni onkin tarjoukseen tarttunut: tähänastiset noin 45 000 käyttäjää ovat tulleet 140 eri maasta. Viime viikolla puolestaan julkistimme tehokkaimman kaupallisen kvanttitietokoneemme, 17-kubitin kvanttiprosessorin, prototyypin, joka on luonnollisesti tarjolla pilven kautta.

IBM Q -kvanttitietokone on nyt rajoitetussa kaupallisessa käytössä ja valmiina ratkomaan maailman saloja. Laiteversioita on kaksi: 16- ja 17-kubittinen. Ensin mainittu on suunnattu kokeilu- ja oppimiskäyttöön. 17-kubitin kaupallisessa versiossa puolestaan niin laite-, arkkitehtuuri- kuin materiaalipuoltakin on kehitetty entisestään. Se tuo huomattavia parannuksia suorituskykyyn. Kvanttilaitteiden suorituskyky ei tosin ole pelkästään kiinni siitä, kuinka monta kubittia laitteessa on, vaan miten kvanttilaskennassa syntyvien virheiden määrää pystytään minimoimaan. IBM onkin ehdottanut niin sanotun Quantum Volume -määreen esille tuomista. Määre kuvaa virheiden minimoinnin määrää suhteessa kubittien määrään.

Kvanttimekaaninen luonto

Meillä on lukuisia haasteita kuvata simuloinnin avulla luonnon mekanismeja, sillä luonto on luonteeltaan kvanttimekaaninen. On erittäin haastavaa koettaa perinteisin tavoin simuloida sitä, miten molekyylit toimivat atomi- ja alkeishiukkastasolla. Haasteita löytyy esimerkiksi kemian alalta: perinteiset von Neumann -arkkitehtuurin tyyppiset järjestelmät eivät taivu vaikkapa kofeiinimolekyylin atomien vuorovaikutuksen simulointiin, jotta hahmottaisimme, kuinka kofeiinin aiheuttama mielihyvä syntyy. Kvanttilaskennan uskotaan olevan tähän soveltuva teknologia. Lisäksi siitä otaksutaan olevan hyötyä materiaalitutkimuksessa, logistiikkaketjujen optimoinnissa, finanssialueen riskien hallinnassa, koneoppimisessa ja tietoturvaan liittyvillä alueilla.

IBM Q -kvanttitietokone muistuttaa isohkoa superkylmää jääkaappia, jossa toimintalämpötila on -273 °C. Nuo kuvassa näkyvät valkoiset lieriöt sisältävät koneen kubittirakenteet, joiden skaalautuvuutta voidaan lisätä neljän kubittisirun rakennuspalikkoina, mukaan lukien laitteiston suprajohtavat rakenteet.

Näin ei-fyysikkona kvanttimaailman ymmärtäminen on haasteellista: kvanttimekaniikassa kubitilla voi esimerkiksi olla useita tiloja samaan aikaan. Avoin mieli onkin kvattitutkimuksessa tärkeä työväline. Kubitin tila voi olla nolla, ykkönen tai jotain siltä väliltä – ja siis samanaikaisesti. Tilaa kutsutaan kubittien superpositioksi. Ja kun tähän vielä lisätään kubittien lomittuminen keskenään (entanglement), moni jää sanattomaksi.

Missä kvanttikoneiden voima piilee?

Kvanttiteknologiaa voisi kuvata esimerkiksi labyrintin avulla: olet labyrintin sisäänkäynnin edessä ja sinun tulisi selvittää kaikki mahdolliset ulospääsyreitit, jotta tiedät, mikä niistä on nopein. Perinteisin keinoin joutuisit juoksemaan labyrintin jokaisen käytävän läpi, kunnes tietäisit, millä kaikin eri tavoin se olisi mahdollista läpäistä. Kvanttimaailmassa sinusta puolestaan olisi kopioita, jotka juoksisivat labyrintin sokkeloisia käytäviä läpi yhtäaikaisesti. Lopputuloksena saisit tietää kaikki reitit kerralla, ja läpäisynopeus olisi huikea.

Vaikka fyysikko ei ehkä käyttäisi juuri kyseistä esimerkkiä ilmiön selittämiseen, niin oleellista on ymmärtää, että ala on kukoistuksen alkutaipaleella – huolimatta siitä, että kvanttimekaniikasta on puhuttu jo neljä vuosikymmentä. Suurimmat harppaukset ovat kuitenkin tapahtuneet vasta viimeisen viiden vuoden aikana. Kehityksen kiivastuminen ja pöhinä alan ympärillä antaa indikaatiota siitä, että juuri nyt kannattaa alkaa oppia ja testata kvanttiteknologian mahdollisuuksia. Tätä tarkoitusta varten olemme avanneet kokeilu- ja oppimiskäyttöön suunnattuun IBM Q -kvanttitietokoneeseemme rajapinnan (API), jonka kautta ohjelmoijat pääsevät käsiksi järjestelmään ja oppimaan lisää teknologiasta.

Kvanttiteknologia avaa todennäköisimmin aivan uudenlaisia mahdollisuuksia tutkia nykyisiä merkittäviä haasteita, kuten aggressiivisten syöpien leviämistä, toimitusketjujen optimointia ja uusien materiaalien löytymistä. Eli kuten jo otsikossa provokatiivisesti vihjasin, niin uskon, että tarvitsemme tulevaisuudessa apulaisen nimeltään Q.

 

Avainsanat: innovaatio, kvanttiteknologia, kvanttitietokone, teknologiajohtajuus

Kommentit