Tietokoneen komponenttien koko on pienentynyt vuosi vuodelta. Laitteista on tullut samalla yhä tehokkaampia. Kun komponenttien kokoluokka on muutamia atomeja, tulemme tilanteeseen, jossa nykytekniikka ei enää paranna tutkimuksen tarkkuutta. Kvanttitietokone on mahdollinen uuden teknologian laite, joka kasvattaa laskentakapasiteettia moninkertaisesti verrattuna perinteisen tietokoneen laskentakapasiteettiin. Nykyisessä tietokoneessa tieto välitetään bitteinä. Bitti voi olla joko 1 tai 0, jolloin komponenttien tuottamasta nollien ja ykkösten jonosta syntyy siirtyvä informaatio. Kvanttitietokoneessa käytetään bittien sijasta kubitteja. Kubittina voisi toimia niin atomi kuin elektronikin. Kvanttimekaanisena oliona kubitti voi saada arvot 1 ja 0 yhtä aikaa, mikä lisää yhden kubitin laskentakapasiteettia bittiin nähden.

Kvanttitietokoneen ei ole tarkoitus korvata perinteistä tietokonetta, eikä se ole perinteistä tietokonetta nopeampi yksinkertaisten operaatioiden suorittamisessa, vaan kvanttitietokoneen hyödyt tulevat esiin monimutkaisissa laskentaoperaatioissa. On arvioitu, että kvanttitietokone tekisi minuuteissa laskutoimituksia, joihin perinteisellä tietokoneella kestäisi miljardeja vuosia. Tällaisia voisivat olla esim. molekyylitason simulaatiot, ilmastonmuutokseen liittyvät laskennat tai tietoturva-asiat.

Video: How Does a Quantum Computer Work? (Veritasium)

Video: How it Works: Quantum Computing (IBM Think Academy)

Kubittien myötä parantuva laskentateho perustuu kubittien kykyyn olla superpositiotilassa. Ongelma on, että tila romahtaa ja kubitista tulee tavallinen bitti helposti, jos se pääsee vuorovaikuttamaan ympäristön kanssa. Kubitit on täten eristettävä ympäristöstään, ja lisäksi kvanttitietokone täytyy jäähdyttää hyvin kylmäksi, sillä pelkkä lämpöliikekin häiritsee kubittien tiloja. Lämpötilan on oltava lähellä nolla kelviniä, jolloin tietokoneen koko kasvaa jäähdytyslaitteiston takia helposti huoneiston kokoiseksi. Oikealla on kuva IBM:n eräästä prototyypistä jäähdytyslaitteistoineen.

Nykykvanttitietokoneita voisi verrata ensimmäisiin perinteisiin tietokoneisiin, jotka olivat nykykriteerein mitättömästä laskentatehostaan huolimatta omakotitalojen kokoisia. Niistä on kuitenkin kehittynyt alle vuosisadassa tehokkaita kämmenlaitteita. Ongelmista huolimatta kvanttitietokoneiden kehityksen päässä siintävät mahdollisuudet houkuttelevat tutkijoita. Myös Aalto-yliopistossa tehdään tästä aiheesta kärkitutkimusta.

Ajankohtaista Aallossa (Aalto-yliopisto)
Artikkeli Q-kvanttitietokoneesta (Engadget eng.)