Syntyykö tulevaisuuden kvanttitietokone tällaisista osista?
Tämä on suprajohtava silmukka, jonka mitat ovat millimetrin tuhannesosia. Se on tehty höyrystämällä piikiekolle ohuelti alumiinia. Pienet suorakaiteen muotoiset rakenteet ovat tunneliliitoksia, joiden ansiosta silmukkaan syntyy kahden erilaisen kvanttitilan yhdistelmä: elektronien muodostama kvanttineste virtaa silmukassa yhtä aikaa sekä myötä- että vastapäivään. Juuri tämä kahtalaisuus tekee silmukasta kvanttilaskentaan sopivan bitin.



Sisältö jatkuu mainoksen alla

Tämä on suprajohtava silmukka, jonka mitat ovat millimetrin
tuhannesosia. Se on tehty höyrystämällä piikiekolle ohuelti alumiinia.
Pienet suorakaiteen muotoiset rakenteet ovat tunneliliitoksia, joiden
ansiosta silmukkaan syntyy kahden erilaisen kvanttitilan yhdistelmä:
elektronien muodostama kvanttineste virtaa silmukassa yhtä aikaa sekä
myötä- että vastapäivään. Juuri tämä kahtalaisuus tekee silmukasta
kvanttilaskentaan sopivan bitin.

Sisältö jatkuu mainoksen alla


Richard Feynman ehdotti 80-luvun alussa uudenlaista bittiä, joka voisi olla samanaikaisesti sekä 0 että 1. Tällainen bitti on kvanttimekaaninen bitti eli kubitti (qubit, QUantum BIT). Sen arvoja merkitään symboleilla |0> ja |1>, jotka lausutaan yhä nolla ja yksi.
Kubiteista rakentuvalla tietokoneella ratkotaan ehkä tulevaisuudessa ongelmia, jotka ovat perinteisille supertietokoneille mahdottomia. Kvanttitietokone laskee tulokset kaikista mahdollisista käskyistä yhdessä ajossa. Se toimii siis kuin valtava rinnakkaislaskin.



Puolijohdetransistorien tiheys integroidussa piirissä kaksinkertaistuu noin puolentoista vuoden välein, kuuluu Mooren lakina tunnettu väittämä. Toistaiseksi se on pitänyt paikkansa ja tiedonkäsittely on tehostunut jatkuvasti.

Nykyään pienimmät transisto-rien hilaleveydet ovat 50 nanometrin (eli metrin miljardisosan) luokkaa, mikä on noin puolet aidsviruksen halkaisijasta. Ihmisen hiuksenleveyteen transistoreja mahtuisi toistatuhatta.

Transistorit ovat jo niin pieniä, että kvanttimekaaniset ilmiöt alkavat häiritä niiden toimintaa. Yksi tällainen ilmiö on elektronien tunneloituminen, kulkeutuminen kalvojen tai seinämien läpi. Tai pikemminkin on kyse siitä, että kvanttimekaniikassa hiukkasen paikkaa ei koskaan tiedetä tarkasti, joten se voi olla yhtä aikaa kahtaalla.
Tämän pienuuden voi myös kääntää eduksi: rakennetaan uudentyyppinen mikrosiru, joka hyödyntää kvanttimaailman outouksia.



Mikroprosessorin nopeuden ratkaisee piisirulle mahdutettujen transistorien määrä, joka on jatkuvasti kasvanut. 1982 julkistetussa 286-prosessorissa sormenkynnen kokoisella alueella oli transistoreja noin satatuhatta, mutta nykyään päästään jo yli 60 miljoonaan. Kuvan Pentium II -prosessori vuodelta 1997 edustaa 7,5 miljoonalla transistorillaan kevyttä keskisarjaa. Siinä johdinlankojen leveys oli vielä 400 nanometrin luokkaa, nyt ollaan 50 nanometrissä.


Kvanttimekaniikan mukaan alkeishiukkaset muistuttavat aaltoja ja hiukkasen kvanttitila on erilaisten aaltojen yhdistelmä. Esimerkiksi radioaktiivinen atomi voi olla kvanttitilassa, jossa se sekä on että ei ole radioaktiivisesti hajonnut. Tällaista kvanttitilojen yhdistelmää sanotaan superpositioksi.

Kvanttitietokoneen bitti on superpositiotilassa eli nolla ja yksi yhtä aikaa. Mutta kun kubitin arvo mitataan, saadaan tulokseksi joko nolla tai yksi, ei mitään kummallista yhdistelmää. Fyysikot sanovat, että superpositio on romahtanut.

Kun useat hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa keskenään, ne ajautuvat lomittuneeseen kvanttitilaan, joka on kyseisten hiukkasten yhteinen superpositio.

Lomittuneet hiukkaset jakavat toistensa ominaisuuksia. Lomittuneessa tilassa ovat esimerkiksi atomit A ja B, kun A on hajonnut ja B ei ole ja A ei ole hajonnut ja B on. Lomittuminen on aidosti kvanttimekaaninen ilmiö, jolle ei ole vastinetta tutussa klassisessa maailmassa.

Kuten tavalliset aallot, myös kvanttimekaaniset aineaallot voivat vahvistaa ja heikentää toisiaan eli interferoida keskenään. Mikään ei sinänsä rajoita aineaaltoja ja niiden interferenssiä pelkästään mikromaailman yksinoikeudeksi: myös kooltaan makroskooppiset kappaleet noudattavat samoja aaltolakeja, mutta ympäristön häiriöiden takia superpositiotilat jäävät niin lyhytaikaisiksi, ettei niillä ole käytännön merkitystä. Suurehkon kappaleen, esimerkiksi normaalikokoisen kissan, superpositio romahtaa paljon nopeammin kuin ehdit sanoa kissaakaan - alle sekunnin miljardisosan miljardisosassa! Tarkemmin sanoen noin 10 potenssiin -22 sekunnissa.



Oikeaan, tehokkaasti toimivaan kvanttitietokoneeseen (ks. Tiede 6/2002, s. 24-27) tarvittaisiin ainakin joitain satoja toisiinsa liitettyjä kubitteja. Määrä voi kuulostaa pieneltä verrattuna nykyprosessoreiden liki sataan miljoonaan transistoriin. Kahdensadan kubitin lomittuneella kvanttitilalla on kuitenkin huima 2 potenssiin 200:n eli noin 10 potenssiin 60:n tavallisen transistorin laskentavoima! Tämä on noin 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kertaa kaikkien tähän mennessä valmistettujen puolijohdetransistorien määrä.
Kvanttitietokoneessa laskenta lomittuu lukemattomiksi rinnakkaisiksi laskentahaaroiksi. Karkeasti sanottuna kvanttitietokone siis suorittaa kaikki mahdolliset laskut yhdessä ajossa suunnattomana rinnakkaislaskentana. Nykyisin tunnetaan jo useita kvanttirinnakkaisuutta täysipainoisesti hyödyntäviä algoritmeja.

Innostus kvanttitietokonetta kohtaan heräsi varsinaisesti vasta 1994, kun AT&T-yhtymän tutkija Peter W. Shor esitti kvanttitietokoneessa toimivan algoritmin, jolla suuria lukuja voidaan jakaa alkutekijöihinsä kohtuullisessa ajassa. Tätä alkutekijöihin jakoa tarvitaan tiedon salauksessa; yleisesti käytetty julkisen avaimen RSA-salakirjoituskin perustuu siihen, että supertietokoneilta menisi 400-numeroisen luvun alkutekijöiden etsimiseen miljardeja vuosia.



Kvanttimekaniikan isiin kuuluva Erwin Schrödinger esitti 1935 paradoksin kvanttimekaanisesta kissasta. Ajatuskokeessa (jota ei toivottavasti koskaan kokeilla käytännössä) kissa ja tappavaa myrkkyä sisältävä pullo suljetaan laatikkoon. Pullo avautuu, kun radioaktiivinen atomi hajoaa satunnaisella hetkellä.
Kissa, radioaktiivinen atomi ja myrkkypullo ovat lomittuneessa kvanttitilassa, jossa atomi on yhtaikaa hajonnut ja ei hajonnut ja kissa siis yhtaikaa kuollut |1> ja elävä |0>. Vasta mittaus eli laatikon avaaminen ja katsominen muuttaa kissan joko eläväksi tai kuolleeksi.






Tutkijat ovat työskennelleet kvanttitietokoneen parissa jo noin kaksi vuosikymmentä. Yksittäinen kubitti tai enimmillään muutamia lomittuneita kubitteja on saatu toimimaan monissa erityyppisissä rakenteissa.

Luontevin kandidaatti kubitiksi on mikromaailman hiukkanen. Yksittäisten alkeishiukkasten tai jopa atomien käsittely on kuitenkin ongelmallista. Myös kubittien yhdistäminen käytännön kvanttiprosessoriksi kvanttiporteilla pitäisi tällöin tehdä atomiskaalassa käyttäen vaikeasti kontrolloitavia ilmiöitä.
Fyysisesti suurempaa kubittia olisi ratkaisevasti helpompi käsitellä. Viime aikoina onkin alettu ymmärtää, että kohtuullisen suuretkin kappaleet voivat saada kubitilta vaadittavia kvanttimekaanisia piirteitä, jos ne onnistutaan




- perinteisille supertietokoneille mahdottomat optimointi-, etsintä- ja salausalgoritmit
- monimutkaisten molekyylien kuten dna:n tai rna:n toiminnan simulointi
- lääketutkimus atomitasolta alkaen
- kvanttimekaanisten systeemien simulointi fysiikan perustutkimuksessa.



Jos suprajohdelanka katkaistaan mutta päät pidetään muutaman nanometrin etäisyydellä toisistaan, elektroniaallot voivat tunneloitua aukon ylitse. Rakennetta kutsutaan tunneliliitokseksi. Sellaista hyödyntämällä voidaan tehdä kahdentyyppisiä suprajohtavia kubitteja: vaihekubitteja ja varauskubitteja.

Eri puolilta tunneliliitosta tulevat elektroniaallot interferoivat keskenään, jolloin aallot vahventuvat tai heikentyvät. Vaihekubitissa tunneliliitos on yhdistetty suprajohtavalla metallisilmukalla renkaaksi, joka päästää elektroniaallot interferoimaan kahta reittiä. Tällöin renkaaseen voi syntyä kaksi stabiilia kvanttitilaa: miljardien elektronien muodostama supravirta kiertää siinä yhtä aikaa sekä myötäpäivään että vastapäivään. Vaihekubitista puhutaan siksi, että näillä eri suuntiin pyörivillä supravirroilla on vaihe-ero.




Jotkin metallit muuttuvat suprajohtaviksi, kun lämpötila laskee kohti absoluuttista nollapistettä; absoluuttinen nollapiste eli nolla kelviniä on −273,15 °C. 1980-luvulla alettiin aktiivisesti kehittää keraamisia korkean lämpötilan suprajohteita. Nyt niiden lämpöennätys on 133 K, joka on vielä kaukana esimerkiksi maapallon pakkasennätyksestä 184 K (−89 celsiusastetta).
Kuvassa suprajohtavuuden näkyvä tunnusmerkki, leijuva magneetti. Pala suprajohtavaa ytrium-barium-kuparioksidia on jäähdytetty nestemäisellä typellä 77 kelviniin.




Suprajohtavat kubitteja ja niitä yhdistäviä väyliä voi valmistaa elektroniikan perinteisillä litografia-, pinnoitus- ja etsausmenetelmillä. Tämä on periaatteessa suoraviivaista, samoin kubittien operointi sähköimpulsseilla. Toisaalta kubitit ovat kookkautensa takia herkkiä ulkomaailman häiriöille ja superpositiotila voi niissä romahtaa nopeasti.

Läpimurto tapahtui 1999, jolloin NEC-yhtiön laboratoriossa Japanin Tsukubassa työskentelevä Jaw-Shen Tsain johtama tutkimusryhmä raportoi yhden varauskubitin onnistuneesta operoinnista 20 gigahertsin kellotaajuudella. Vuonna 2003 Tsain ryhmän onnistui yhdistää kaksi varauskubittia alkeelliseksi kvanttiprosessoriksi.

Alan tutkimus on aktiivista. Japanin lisäksi sitä tehdään muuan muassa Yhdysvalloissa National Institute of Standards and Technologyssa ja Yalen yliopistossa ja Euroopassa Pariisin yliopistossa, Delftin yliopistossa Hollannissa sekä Jenassa Saksassa.

Suprajohtavan kvanttisirun kehitystyön ensimmäinen perusaskel eli kubittien määrän kaksinkertaistuminen yhdestä kahteen vei siis neljä vuotta. Mooren lakia mukaileva ajatusleikki johtaa päätelmään, että aitoon kvanttiprosessoriin tarvittavat noin 200 suprajohtavaa kubittia saadaan liitettyä yhteen jo vuonna 2030.
Mika Sillanpää on tutkinut suprajohtavia kubitteja Teknillisen korkeakoulun Kylmä-laboratoriossa. Hänen väitöskirjansa tarkastettiin aprillipäivänä, minkä jälkeen hän lähti vierailevaksi tutkijaksi National Institute of Standards and Technologyyn Coloradoon.


Sisältö jatkuu mainoksen alla