Kvanttitietokoneet

Johdannoksi
​

​

Kvanttifysiikka on fysiikan osa-alue, joka tutkii todella pieniä asioita, kuten elektroneja, fotoneita (valohiukkasia) ja atomeita. Tavalliset fysiikan säännöt eivät siellä aina toimi samalla tavalla kuin arkimaailmassa.

Ajattele näin:

  • Tavallisessa maailmassa pallo on joko pöydällä tai lattialla.

  • Kvanttimaailmassa hiukkanen voi olla tavallaan “sekä täällä että tuolla” samaan aikaan — kunnes sitä mitataan.

Tämä kuulostaa oudolta, mutta kokeet ovat osoittaneet sen toimivan juuri näin.

1. Kvanttifysiikan tärkeimmät ideat

Superpositio – monta tilaa yhtä aikaa

Kvanttihiukkanen voi olla useassa tilassa samanaikaisesti.

Esimerkiksi elektroni voi pyöriä:

  • “ylös”

  • “alas”

  • tai molempina yhtä aikaa.

Tätä kutsutaan superpositioksi.

Kvanttitietokoneissa tämä on erittäin tärkeää.

Tavallinen tietokone käyttää bittejä:

  • 0 tai 1

Kvanttitietokone käyttää kubitteja:

  • 0

  • 1

  • tai 0 ja 1 yhtä aikaa.

Tätä voi ajatella vähän kuin pyörivänä kolikkona:

  • Tavallinen bitti = kolikko pöydällä (kruuna tai klaava)

  • Kubitti = ilmassa pyörivä kolikko

Mittaaminen muuttaa tilanteen

Kvanttimaailmassa mittaaminen ei ole vain “katsomista”.

Kun hiukkanen mitataan:

  • superpositio romahtaa

  • tulokseksi saadaan yksi tila.

Esimerkiksi:

Ennen mittausta:

  • kubitti = 0 ja 1 yhtä aikaa

Mittauksen jälkeen:

  • joko 0 tai 1

Tämä on yksi syy siihen, miksi kvanttitietokoneita on vaikea rakentaa:

  • pienikin häiriö voi “mitata” kubitin vahingossa.

Lomittuminen – kvanttinen yhteys

Kaksi hiukkasta voi olla niin vahvasti yhteydessä, että niiden tilat liittyvät toisiinsa, vaikka ne olisivat kaukana toisistaan.

Tätä kutsutaan lomittumiseksi.

Jos kaksi kubittia lomittuu:

  • toisen mittaaminen vaikuttaa heti siihen, mitä toisesta tiedetään.

Einstein kutsui tätä joskus “aavemaiseksi etävaikutukseksi”.

Lomittuminen auttaa kvanttitietokoneita käsittelemään valtavia määriä vaihtoehtoja yhtä aikaa.

2. Mikä tekee kvanttitietokoneesta erilaisen?

Tavallinen tietokone:

  • käy vaihtoehtoja läpi askel kerrallaan.

Kvanttitietokone:

  • voi tutkia monia vaihtoehtoja rinnakkain superposition avulla.

Siksi jotkin ongelmat voivat ratketa paljon nopeammin.

Esimerkiksi:

  • suurten lukujen tekijöihin jako

  • molekyylien simulointi

  • uusien lääkkeiden kehitys

  • optimointiongelmat

  • salauksen murtaminen tietyissä tapauksissa

3. Miksi kvanttitietokone ei korvaa tavallista tietokonetta?

Kvanttitietokone ei ole “super-PC”, joka tekee kaiken nopeammin.

Se on hyvä vain tietyntyyppisissä ongelmissa.

Esimerkiksi:

  • YouTube

  • pelit

  • tekstinkäsittely

toimivat edelleen paremmin tavallisilla tietokoneilla.

4. Miksi kvanttitietokoneet ovat vaikeita rakentaa?

Kubittien tila on erittäin herkkä.

Niitä häiritsevät:

  • lämpö

  • tärinä

  • sähkömagneettiset häiriöt

  • jopa ympäristö yleisesti

Siksi monet kvanttitietokoneet:

  • toimivat lähes absoluuttisessa nollapisteessä

  • tarvitsevat valtavia jäähdytyslaitteita.

5. Yksinkertainen yhteenveto

Tavallinen maailma

  • asiat ovat yleensä yhdessä paikassa

  • tila on selkeä

  • 0 tai 1

Kvanttimaailma

  • hiukkaset voivat olla useassa tilassa yhtä aikaa

  • mittaaminen muuttaa tilaa

  • hiukkaset voivat lomittua

Kvanttitietokone

  • käyttää kubitteja

  • hyödyntää superpositiota ja lomittumista

  • voi ratkaista joitakin ongelmia erittäin nopeasti

Tiivistelmä

Kvanttifysiikka tutkii erittäin pieniä hiukkasia, joiden käyttäytyminen poikkeaa arkimaailmasta. Hiukkanen voi olla useassa tilassa yhtä aikaa (superpositio), ja hiukkaset voivat olla yhteydessä toisiinsa erikoisella tavalla (lomittuminen). Kvanttitietokoneet käyttävät näitä ilmiöitä laskemiseen kubittien avulla, minkä vuoksi ne voivat ratkaista tiettyjä ongelmia paljon tavallisia tietokoneita nopeammin.




Suomalaiskeksintö (MTV:n 5 min video)


How Does a Quantum Computer Calculate? The Simplest Explanation!


Why I Left Quantum Computing Research