Mitä ovat kvanttitietokoneet?

Kvanttitietokoneilla on potentiaalia dramaattisesti lisätä laskelmien monimuotoisuutta ja tarkkuutta, avaamalla uusia sovelluskohteita tietokoneille ja parantamalla fysikaalisten ilmiöiden malleja. Vaikka kvanttitietokoneet saavat yhä enemmän mediahuomiota, monet eivät vieläkään tiedä, miten kvanttitietokoneet eroavat tavallisista tietokoneista. Tutustumme siihen, miten kvanttitietokoneet toimivat, niiden sovelluksiin ja tulevaisuuteen.

Mikä on kvanttitietokone?

Ennen kuin voimme tarkastella, miten kvanttitietokoneet toimivat, meidän on määriteltävä kvanttitietokoneet. Kvanttitietokoneen lyhyt määritelmä on: tietokone, joka perustuu kvanttimekaniikkaan, ja joka pystyy suorittamaan tiettyjä monimutkaisia laskelmia paljon tehokkaammin kuin perinteiset tietokoneet. Tämä on nopea määritelmä kvanttitietokoneista, mutta haluamme ottaa hieman aikaa ymmärtääksemme, mitä erottaa kvanttitietokoneet perinteisistä tietokoneista.

Perinteiset tietokoneet koodaavat tiedon binäärijärjestelmällä: jokainen bitti koodataan joko yhdeksi tai nollaksi. Sarja ykkösiä ja nollia ketjuuntuu yhteen edustamaan monimutkaisia tietoja, kuten tekstejä, kuvia ja ääniä. Kuitenkin näissä binäärijärjestelmissä tieto voidaan tallentaa vain ykkösinä ja nollina, mikä tarkoittaa, että on olemassa kova raja sille, miten data voidaan edustaa ja tulkita, ja miten se muuttuu, kun datasta tulee monimutkaisempaa, jolloin se muuttuu pidemmiksi ja pidemmiksi ykkösten ja nollien ketjuksi.

Kvanttitietokoneet pystyvät tallentamaan ja tulkimaan dataa tehokkaammin, koska ne eivät käytä bittejä datan edustamiseen, vaan ” kubitteja“. Kubitit ovat alkuhiukkasia, kuten fotoneja ja elektroneja. Kubiteilla on kaksi ominaisuutta, joita tietokoneinsinöörit voivat hyödyntää: supерпosiitiot ja sidokset.

Kvanttiposiitiot sallivat kubittien olemassaolon ei vain “yksi”-tilassa tai “nolla”-tilassa, vaan jatkumossa näiden tilojen välillä, mikä tarkoittaa, että enemmän tietoa voidaan tallentaa kubiteilla. Vastaavasti kvanttisidos viittaa ilmiöön, jossa kubittipareja voidaan luoda ja jos yksi kubitti muuttuu, toinen kubitti muuttuu ennustettavasti. Nämä kvanttiominaisuudet voidaan käyttää edustamaan ja järjestämään monimutkaisia tietoja tehokkaammin.

Miten kvanttitietokoneet toimivat

Kvantti”superpysiit” saavat nimensä siitä, että ne voivat olla useassa paikassa samaan aikaan. Vaikka bitit voivat olla vain kahdessa paikassa, kubittit voivat olla useissa tiloissa samaan aikaan.

Kiitos kvanttiposiitioiden olemassaolosta, kvanttitietokone pystyy laskemaan useita eri mahdollisia tuloksia samaan aikaan. Kun laskelmat on tehty, kubittit mitataan, mikä luo lopputuloksen kvanttisen tilan romahduksen kautta joko 0:ksi tai 1:ksi, mikä tarkoittaa, että tulosta voidaan tulkita perinteisillä tietokoneilla.

Tietokoneinsinöörit voivat muuttaa kubittien sijaintia käyttämällä mikroaalloja tai tarkkuuslaseria.

Tietokoneinsinöörit voivat hyödyntää kvanttisidosta parantamaan tietokoneiden prosessointikykyä. Kvanttisidos viittaa siihen, että kaksi kubittia voidaan linkittää yhteen siten, että muuttamalla yhtä kubittia muutetaan toista kubittia luotettavasti. Tästä syystä kvanttisidos tekee mahdolliseksi tietokoneen prosessointikyvyn eksponentiaalisen kasvun.

jos tämä on tuntunut liian abstraktista, voimme kuvata, miten superposiitiot ovat hyödyllisiä, kuvittelemalla labyrintin. Perinteinen tietokone yrittäisi ratkaista labyrintin kokeilemalla jokaista polkua, kunnes se löytää onnistuneen reitin. Kvanttitietokone voi kuitenkin tutkia kaikki eri polut samaan aikaan, koska se ei ole sidottu mihinkään tiettyyn tilaan.

Kaiken tämän on tarkoitus sanoa, että sidoksen ja superposiittien ominaisuudet tekevät kvanttitietokoneista hyödyllisiä, koska ne voivat käsitellä epävarmuutta, ne pystyvät tutkimaan useampia mahdollisia tiloja ja tuloksia. Kvanttitietokoneet auttavat tutkijoita ja insinöörejä ymmärtämään paremmin monimutkaisia tilanteita, joissa on monia muuttujia.

Mitä kvanttitietokoneita käytetään?

Nyt kun meillä on parempi intuition siitä, miten kvanttitietokoneet toimivat, tutustumme mahdollisiin sovelluksiin kvanttitietokoneille.

Olemme jo maininneet, että kvanttitietokoneita voidaan käyttää suorittamaan perinteisiä laskelmia paljon nopeammin. Kuitenkin kvanttitietokoneiden teknologiaa voidaan käyttää saavuttamaan asioita, jotka eivät ole mahdollisia tai ovat hyvin epäkäytännöllisiä perinteisillä tietokoneilla.

Yksi lupaavimmista ja mielenkiintoisimmista sovelluksista kvanttitietokoneille on tekoälyalueella. Kvanttitietokoneet voivat parantaa neuroverkkojen luomia malleja sekä niiden tukemaa ohjelmistoa. Google (GOOGL ) käyttää jo kvanttitietokoneitaan itseohjautuvien ajoneuvojen luomiseen.

Kvanttitietokoneita voidaan myös käyttää kemiallisten vuorovaikutusten ja reaktioiden analyysiin. Vaikka edistyneimmätkin perinteiset tietokoneet voivat mallintaa vain suhteellisen yksinkertaisia molekyylejä, kvanttitietokoneet sallivat tutkijoiden luoda malleja, joilla on samat kvanttiominaisuudet kuin tutkittavilla molekyyleillä. Nopeampi ja tarkempi molekyylimallinnus auttaa uusien lääkeaineiden ja uusien energiateknologian materiaalien kehittämisessä, kuten tehokkaampien aurinkopaneeleiden luomisessa.

Kvanttitietokoneita voidaan myös käyttää sään ennustamiseen. Sää on useiden tapahtumien yhdistelmä, ja sään ennustamiseen käytettävät kaavat ovat monimutkaisia ja sisältävät monia muuttujia. Perinteiset tietokoneet voivat tarvita hyvin pitkän ajan suorittamaan kaikki tarvittavat laskelmat, ja sään olosuhteet voivat muuttua itse laskelmien aikana. Onneksi sään ennustamiseen käytettävissä kaavoissa on aaltoilmiö, jonka kvanttitietokoneet voivat hyödyntää. Kvanttitietokoneet voivat auttaa tutkijoita luomaan tarkempia ilmasto-malleja, jotka ovat välttämättömiä maailmassa, jossa ilmasto muuttuu.

Kvanttitietokoneita ja algoritmeja voidaan myös käyttää ihmisten tietosuojan turvaamiseen. Kvanttikryptografia hyödyntää kvanttieteen epävarmuusperiaatetta, jossa minkä tahansa kohteen mitaaminen aiheuttaa muutoksia kohteeseen. Mitatun viestin vastaanottamisyritykset vaikuttavat viestiin ja paljastavat muutokset.

Kvanttitietokoneiden tulevaisuus

Useimmat kvanttitietokoneiden sovellukset rajoittuvat akateemisiin ja liiketoiminnallisiin kohteisiin. On epätodennäköistä, että kuluttajat/säätyväinen yleisö saavat kvanttitietokoneita, ainakaan lähitulevaisuudessa. Tämä johtuu siitä, että kvanttitietokoneiden toimiminen vaatii erikoisvälineitä. Kvanttitietokoneet ovat erittäin herkkästi häiriöille, ja jopa pienimmätkin ympäristön muutokset voivat aiheuttaa kubittien siirtymisen pois superposiitio-tilasta. Tämä ilmiö on nimeltään dekoherenssi, ja se on yksi syy sille, miksi kvanttitietokoneiden kehitys etenee hitaasti verrattuna perinteisiin tietokoneisiin. Kvanttitietokoneet tarvitsevat yleensä toimimaan äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa, eristettyinä muista sähkölaiteista.

Vaikka kaikilla varotoimilla, melu aiheuttaa silti virheitä laskelmissa, ja tutkijat etsivät keinoja tehdä kubiteista luotettavampia. Saavuttaakseen kvanttienemmistön, jossa kvanttitietokone täysin ylittää nykyisen supertietokoneen tehon, kubittien on oltava kytketty toisiinsa. Todellinen kvanttienemmistö vaatisi tuhansia kubitteja, mutta parhaat kvanttitietokoneet voivat käsitellä vain noin 50 kubittia. Tutkijat tekevät jatkuvasti edistystä kehittäessään vakaampia ja luotettavampia kubitteja. Kvanttitietokoneiden asiantuntijat ennustavat, että voimakkaat ja luotettavat kvanttilaitteet voivat olla täällä vuosikymmenen sisällä.