D-Wave vaatii lähes absoluuttista nollapistettä toimiakseen – mutta kykenee laskutoimituksiin, joiden ratkaiseminen perinteisillä tietokoneilla ei onnistu koskaan.

Onko kvanttitietokone maailman pelastaja vai uusi kupla, joka epäonnistuu surkeasti? Kumpaakin vaihtoehtoa on veikattu.

Kvanttitietokone on kone, jonka toiminta perustuu bittien sijasta kvanttibitteihin eli kubitteihin. Vaikka monet yliopistot vasta kehittelevät muutaman kubitin koneita, peräti 1152 kubitin kvanttitietokone D-Wave on jo myynnissä. Ymmärtääksemme sen toimintaa on ensin tutustuttava kvanttitietokoneisiin hieman tarkemmin.

Kubitti eroaa normaalista bitistä siten, että sen arvo voi olla sekä nolla että yksi samaan aikaan. Kvanttitietokoneissa ongelmaksi muodostuu niin sanottu dekoherenssi. Siinä kvanttitilat eli tilat, jossa kubitti on samanaikaisesti sekä nolla että yksi, romahtavat nollaksi tai ykköseksi, kun kubittia tarkastellaan.

Tämä on ongelma siksi, että kvanttitietokone nimenomaan perustuu niin sanottuun superpositioon, jossa kubittien tilat eivät ole romahtaneet ykkösiksi tai nolliksi. Tila on siis samanaikaisesti nolla ja yksi. Tällä superpositiolla voidaan tarkastella kaikkia vaihtoehtoja samanaikaisesti, mikä on kvanttitietokoneiden nopeuden salaisuus.

Esimerkiksi laskutoimituksessa, jossa on 100 toisistaan riippuvaa bittiä, erilaisia vaihtoehtoja on peräti 2100 eli 1,27 kvantiljoonaa. Näiden laskutoimitusten suorittaminen perätysten normaalilla tietokoneella kestää kauan. Jos ongelmaa suurennetaan tarpeeksi, edes maailmankaikkeuden ikä ei riittäisi ongelman ratkaisemiseen.

Kvanttitietokone pystyy superposition avulla optimoimaan halutun vastauksen nopeammin ikään kuin katsomalla kaikkia vaihtoehtoja samanaikaisesti, ei peräkkäin. Yksi tapa toimintaperiaatteen ymmärtämiseksi on ajatella, että kvanttikone käyttäisi laskemiseen rinnakkaisia maailmankaikkeuksia.

Jäätävää laskentatehoa

Kolme metriä korkea D-Wave yhtiön tiloissa Kalifornian Palo Altossa. Kvanttietokone on herkkä ulkopuolisille häiriöille, joten se täytyy suojata huolella.

Maailmalla on kvanttitietokoneita, joiden kvantti-ilmiöistä ei ole epäilystäkään. Useimmissa niissä on kuitenkin vain vähän toimivia kubitteja, esimerkiksi kahdeksan.

Toisin kuin pienten kubittimäärien koneissa, D-Wavessa kubitit perustuvat Josephsonin liitokseen, minkä vuoksi ne ovat herkkiä ulkoisille häiriöille. Josephsonin liitos vaatii absoluuttista nollapistettä hipovaa lämpötilaa toimiakseen.

Valmistajan mukaan D-Waven kubitit ovat kuitenkin riittävän hyviä, ja niitä tarvitaan enemmän koneen käyttömahdollisuuksien lisäämiseksi.

Etelä-Kalifornian yliopisto USC tutkii D-Waven rakennetta ja ilmiöitä sekä mahdollisia käyttökohteita. Yliopisto on saanut sen kvantti-ilmiöistä jo varsin vakuuttavia todisteita.

Kvanttitietokoneiden taival on vasta alussa. USC:n tohtori Robert Lucas vertaa kvanttitietokoneen tilannetta kanavatransistorin taipaleeseen kaupallisesti kypsäksi teknologiaksi.

Kanavatransistorin idea keksittiin jo vuonna 1925. Siihen perustuvat cmos-piirit kuitenkin yleistyivät vasta 80-luvun lopulla elektroniikkalaitteiden komponentteina, esimerkiksi tietokoneiden rakenneosina. Kanavatransistoria ei aikoinaan pidetty merkittävänä keksintönä. Kvanttitietokoneeseen suhtaudutaan Lucasin mielestä nyt samoin: epäuskoisesti ja jopa vähättelevästi.

D-Wave ei ole samanlainen yleiskäyttöinen kone kuin tavalliset bittien käsittelyyn suunnitellut tietokoneet. Se on erikoistunut tietokone, kuten esimerkiksi proteiinien simulointiin tarkoitettu Anton tai Bombe, jota britit käyttivät toisen maailmansodan aikana saksalaisten Enigma-koodien murtamiseen.

Lucasin mukaan nykyisten tietokoneiden suorituskyky on jämähtänyt paikolleen tiettyjen vaikeiden laskuongelmien ratkaisemisessa. Esimerkiksi algoritmiongelmien ratkaisemisessa rinnakkaislaskenta niin sanotusti hajoaa, ja ongelma ei ratkea. Lisäksi nykykoneiden kellotaajuutta ei voi nostaa loputtomiin.

Lucas uskookin, että erikoissovelluksissa nähdään jatkossa entistä enemmän erikoistuneita tietokoneita tai laitteita, jotka ovat optimoitu tietyn ongelman ratkaisemiseen. D-Wave on kehitetty kuvioiden sovittamistekniikkaan (quabo, quadratic unconstrained binary optimization), jolla optimoidaan koneiden oppimisprosesseja.

Etelä-Kalifornian yliopiston tutkimuksissa D-Wave ei toistaiseksi ole osoittautunut juuri nopeammaksi kuin perinteiset tietokoneet tai simuloinnit. Mutta onko nopeus ainoa mielekäs kriteeri?

Tohtori Faderico M. Spedalieri tutkii, miten D-Wave toimii ja miten sitä voisi hyödyntää.

D-Waven ainutlaatuinen ominaisuus on, että pystyy antamaan monta erilaista ja uutta vastausta samaan kysymykseen. Etelä-Kalifornian yliopiston tutkija, tohtori Federico M. Spedalieri työskentelee tämän aiheen parissa.

Tutkimus on vielä kesken, mutta on jo käynyt selväksi, että D-Wavessa todella tapahtuu kvantti-ilmiöitä. Spedalierin mukaan D-Wave täyttää tietyn ongelman ratkaisuun erikoistuneen kvanttitietokoneen kriteerit.

D-Wavella on tehty kvantti-ilmiöiden todistamiseksi erilaisia laskelmia ja testejä. Eräs tapa kvantti-ilmiön määrittämiseen on tutkia, esiintyykö systeemissä kvanttitilojen kietoutumista. Tämä tarkoittaa sitä, että yhden hiukkasen tila sisältää informaatiota myös jonkin toisen hiukkasen tilasta.

Erilaisissa koejärjestelyissä kietoutuminen on pystytty todistamaan, joten kvantti-ilmiöitä todella tapahtuu D-Wavessa. Spedalierin tutkimusryhmää voidaankin syystä pitää pioneereina vasta ensimmäisiä askeleitaan ottavassa kvanttitietokonetutkimuksessa.

Miten se toimii?

D-Waven jäähdytysjärjestelmä (yllä) viilentää kvanttiprosessorin nestemäisen heliumin avulla lähelle absoluuttista nollapistettä, jotta kvantti-ilmiöitä voi tapahtua. Kvanttiprosessori (alla) koostuu pienten niobium-lenkkien verkosta. Jokainen lenkki muodostaa yhden kubitin.

D-Waven yksinkertaistetussa toimintaperiaatteessa käyttäjä muotoilee ongelman ikään kuin valtavan laajan maiseman matalimman kohdan etsimiseksi. Tätä voidaan tutkia tunneloitumisen avulla. Monimutkaista ilmiötä voidaan kuvata ajatusleikillä, että maasto olisi jaettu shakkilautamaisesti ruutuihin, joihin kaadetaan vettä. Mitä enemmän vettä johonkin ruutuun uppoaa, sen todennäköisempää on, että se on oikea vastaus.

Kvantti-ilmiöt mahdollistavat tarvittavan vesimäärän samanaikaisen tutkimisen eri ruuduissa. Perinteisissä tietokoneissa taas mitataan matalia kohtia yksi kerrallaan.

Kvanttimenetelmällä saadaan myös samanaikaisesti monta syvää kohtaa selville. Yhtä lukuun ottamatta kyseessä ei ole kaikkein syvin kohta, mutta käytännön ratkaisuina muutkin syvät kohdat saattavat olla kelvollisia.

Kokeellisten testiyhtälöiden ratkaisu on toki jännittävää. Mutta millaisia todellisia ongelmia D-Wave pystyy ratkomaan?

Kvanttitietokoneiden käytännön sovelluksina ratkotaan edellä kuvatun kaltaisia optimointiongelmia ja tehdään hahmontunnistusta sekä taloudellisia analyysejä. Kvanttikoneet pystyvät jopa oppimaan sekä ohjelmoimaan itseään.

Muun muassa lentokonevalmistaja Lockheed Martin käyttää D-Wavea ohjelmiston virheiden etsimisessä. Myös Googlella on käytössä D-Wave.

Mitä se on syönyt?

D-Waven perusrakennuspalikka on squid-laite (superconducting quantum interference device), joka toimii ikään kuin kvanttitransistorina.

Suprajohtavat Josephsonin liitokset käyttäytyvät kuin yksittäiset atomit, vaikka itse liitoksessa on miljardeja atomeita. Tämä on huomattavasti helpommin valmistettava ja käytettävä rakenne kuin yksittäinen atomi.

D-Wavessa Josephsonin liitoksia käytetään sekä kubitteina että niiden tilojen taltioinnissa. Magneettiset tilat eli spinit voivat saada arvot -1 tai 1. Ne toimivat kubittien ”bitteinä”.

Kvantti-ilmiöiden esiintyminen niobiumissa vaatii kuitenkin suprajohtavuutta, minkä takia koko järjestelmä jäähdytetään 15 millikelvinin lämpötilaan, eli todella lähelle absoluuttista nollapistettä.

Yksittäisellä kubitilla ei kuitenkaan vielä juuri voi laskea. Jotta laitetta voidaan käyttää tietokoneena, kubitteja on oltava enemmän ja ne on yhdistettävä toisiinsa. Nyt D-Wavessa on siis hieman yli tuhat kubittia. Valmistajan tavoitteena on tuplata kubittien määrä joka vuosi.

Kubitit kerätään yhteen liittimillä. Myös ne ovat suprajohtavia, jolloin kubitteja voi ohjelmoida, ja kubitit ovat vuorovaikutuksessa keskenään.

Kvanttitietokoneella ei ole muistia. Kubiteilla on kuitenkin tavallaan oma muistinsa, jota voi verrata aivojen neuroneihin – ja koneen rakennetta siten aivoihin.

Piiri, jolla kubittien arvot luetaan talteen, ei ole aktiivisena kvanttitilojen aikana. Niinpä se ei vaikuta kubittien arvoihin. Kubittien tarkastelu saisi superpositiot romahtamaan. Siispä kvanttilaskenta saa tapahtua rauhassa ja vasta romahtaneet tilat luetaan. Tämä vaatii kvanttitietokoneen käyttämistä sykleissä, joissa on aluksi kvanttiominaisuuksia ja vasta sitten tilojen romahdus.

Syklissä alkuarvojen lataus kestää sata mikrosekuntia. Sen jälkeen odotetaan jäähtymistä millisekunti. Kvanttikietoutuminen kestää kymmenen ja kubittien tilan lukeminen sata mikrosekuntia.

Suorittimen tavoitelämpötila on siis vain viisitoista millikelviniä. Minimivaatimus kvantti-ilmiöiden onnistumiselle on 80 mK. Spinien lukeminen on erittäin herkkä toimenpide, joten prosessori on suojattu ulkoisilta magneettikentiltä kerrosmaisella rakenteella. Lisäksi se on suojattu radiotaajuuskohinalta. Koko komeus on kuutiomaisessa paketissa, jonka yksi sivu on noin kolme metriä.

Miten sitä käsketään?

Kvanttitietokonetta ohjelmoidaan eri tavalla kuin perinteisiä tietokoneita. Kvanttitietokoneelle annettavista käskyistä käytetään nimitystä qmi (quantum machine instruction).

Koska D-Wavessa ei ole muistia eikä rekistereitä, qmi on ainoa toimenpide, jonka se suorittaa. Kubittien arvoja ei voi suoraan vaihtaa. Niihin voi kuitenkin vaikuttaa kahdella tavalla: antamalla joko painoarvon tai vuorovaikutuksen voimakkuuden.

1152-kubittisella koneella voi antaa suunnilleen tuhat erilaista painoarvoa ja kolme tuhatta vuorovaikutusvoimakkuutta. Nämä arvot annetaan koneelle, joka suorittaa niillä yhden qmi:n ja palauttaa tuloksen. Ohjelmointi käy joko suoraan kvanttikonekielellä, korkeamman tason ohjelmointikielillä tai muilla erityisohjelmistoilla.

Palautetut vastaukset ovat todennäköisyyteen pohjautuvia. Osa vastauksista on siis oikeita – ja osa ei. Tuloksia voidaan kuitenkin tulkita oikeiksi sen mukaan, kuinka usein ne esiintyvät. Tietynlaisen epävarmuuden voi kääntää ominaisuudeksi esimerkiksi monimutkaisessa päätöksenteossa ja oppimisessa. D-Wave antaa noin 10 000 vastausta sekunnissa, joten optimaalisen vastauksen lisäksi myös vaihtoehtoiset vastaukset ovat käytettävissä.

Mitä kaikkea D-Wavella voidaankaan tehdä tulevaisuudessa? Milloin kvanttitietokoneet korvaavat perinteiset tietokoneet?

Vastauksia voidaan toistaiseksi vain arvailla. Ainakin Etelä-Kalifornian yliopiston D-Wave-tutkijoista huokuu asiantuntevuus ja innostuneisuus asiaan. Tutkimus on vasta alussa, mutta nämä tutkijat tietävät, että he saattavat olla luomassa jotain uutta ja suurta, joka mullistaa kenties tulevaisuutemme.

Alkoiko oma D-Wave kiinnostaa? Siitä vaan kaupoille, jos taskunpohjalla on kymmenen miljoonaa dollaria ylimääräistä!

Kirjoittajat ovat tietotekniikan lehtoreita Lahden ammattikorkeakoulussa. Artikkeli julkaistu alun perin Mikrobitin numerossa 2/2016.