Ilmeisesti vahingossa internetissä julkaistu tutkimus antaa ymmärtää, että merkittävä tiedonkäsittelyn merkkipaalu on saavutettu.

Yhdysvaltain avaruushallinto Nasan palvelimella julkaistu, sittemmin poistettu mutta internetissä kuitenkin levinnyt dokumentti on todennäköisesti peräisin Googlen tutkijoilta. Tutkimuksen mukaan Googlen kvanttitietokone, ”Sycamore”, on saavuttanut kvanttiherruuden (engl. quantum supremacy).

Käsite tarkoittaa, että on onnistuttu demonstroimaan tehtävä, josta kvanttitietokone suoriutuu ylivertaisesti nopeammin kuin klassista laskentaa käyttävä supertietokone.

Uutinen on epävirallinen, mutta hyvinkin lupaava.

”Kyllä se [tutkimus] minullakin tuossa koneella on”, kertoo Aalto-yliopiston kvanttitietokonetyöryhmän vetäjä, professori Mikko Möttönen.

Möttönen painottaa, että verkkoon tullut paperi on päivätty viime kuukaudelle, joten ei voida olla varmoja, onko kyse tekijöiden lopullisesta versiosta.

”On hyvin todennäköistä, että työ on tulossa oikeastikin melko pian julki, mutta tällainen mediamylläkkä todennäköisesti myöhästyttää julkaisua.”

Möttönen on ehtinyt lukea itse artikkelin, mutta ei siihen liitettyä 50 sivun lisämateriaalia, eikä niitä tieteellisiä julkaisuja, joihin artikkelissa viitataan. Nykyisen tietonsa perusteella hän pitää julkaisua kuitenkin sangen vakuuttavana.

”Tätä [Googlen] tutkimusryhmää pidetään alalla maailman parhaimpana. Kyseessä ovat hyvin tunnetut ja arvostetut tiedemiehet, jotka eivät ainakaan tarkoituksella julkaise mitään, mihin he eivät sataprosenttisesti itse luottaisi.”

Kvanttitietokone perustaa toimintansa kvanttifysiikassa tunnettuun superposition käsitteeseen, jossa jollakin järjestelmällä voi olla samanaikaisesti useampia kuin yksi tila. Siis kun klassisessa tietokoneessa yksittäisen bitin arvo on joko 0 tai 1, kvanttitietokoneen bitti eli kubitti on täysin arkijärjen vastaisesti samaan aikaan sekä 0 että 1. Kun kubitin tila mitataan, superpositio ”romahtaa” takaisin klassiseen maailmaan joko nollaksi tai ykköseksi.

Tietyissä ongelmissa se tarkoittaa huimaa laskentatehon kasvua: nyt internetiin tulleen tutkimuksen mukaan Googlen Sycamore-tietokone laski kolmessa minuutissa ja 20 sekunnissa tehtävän, joka veisi maailman parhaalta klassiselta supertietokone Summitilta 10 000 vuotta.

”Tehtävässä generoitiin kvanttipiirejä, joilla oli tietty rakenne, mutta myös paljon satunnaisuutta. Satunnaisuus tarkoittaa, että ideaalinen kvanttitietokone saattaa mennä mihin tahansa kvanttitilaan, joita on 2 potenssiin 53”, selittää Möttönen.

Luku tulee siitä, että Sycamoren kvanttitietokoneessa on 54 kubittiä, joista yksi ei toiminut.

”Klassisen tietokoneen laskennassa pitäisi ottaa huomioon kaikki nuo 2 ^ 53 mahdollisuutta, minkä vuoksi kone ei osaa laskea sitä nopeasti.”

Sycamorestakaan ei tässä kokeessa saatu ulos koko kvanttitilaa, vaan sen tuottama todennäköisyysjakauma.

”Tutkijat mittasivat todennäköisyysjakaumaa ja vertasivat sitä klassisen koneen ennustukseen. Pienillä kvanttimuisteilla ja operaatiomäärillä pystyy klassisesti simuloimaan kvanttitietokoneen toimintaa ja näkee, kuinka hyvin kvanttikone toimii eli kuinka tarkasti se osaa ennustaa oikean jakauman.”

Suuremmilla määrillä klassinen tietokone ei tietenkään simulaatioon pysty. Möttösen mukaan Googlen tutkijat perustelevat kuitenkin usealla tavalla, miksi kvanttitietokone toimii myös isoilla luvuilla.

”Tutkijat esimerkiksi yksinkertaistivat piiriä niin, että sitä pystyttiin simuloimaan klassisesti. Loppupäätelmä on, että on vahvat perusteet olettaa, että kvanttiherruus on saavutettu.”

Aivan sataprosenttista varmuutta asiasta ei siis ole, mutta Möttönen odottaa, että aikanaan Googlen koetta tullaan toisintamaan muillakin maailman kvanttitietokoneilla.

Käytännössä saavutuksen merkitys on, että raja on ylitetty: ei tullut eteen mitään aiemmin tunnistamatonta lainalaisuutta, joka olisi tehnyt kvanttitietokoneen toiminnan periaatteellisesti mahdottomaksi.

”Loistavaa työtä, mahtava uutinen koko alalle olettaen, että se on totta”, Möttönen summaa.

”Seuraava askel on, että samaa koetta pystytään toistamaan muualla, mutta jos myös pystyttäisiin keksimään sellainen kvanttiherruustehtävä, joka voitaisiin tarkistaa klassisella koneella helposti. Se olisi askel kohti kvanttihyötyä, eli että jossakin käytännön kannalta tärkeässä ongelmassa osattaisiin tehdä samoin.”