null Kvanttilaskennassa otettu jo tärkeät ensiaskeleet

Kvanttilaskennassa otettu jo tärkeät ensiaskeleet

Kvanttitietokone on muutaman viime vuoden aikana kivunnut spekulaatiosta ja perustutkimuksesta aidoiksi kaupallisiksi tuotteiksi ja tuotekehitykseksi.

Kvanttitietokoneen on määrä hyödyntää kvanttimekaniikan eriskummallisen maailman ilmiöitä tietyntyyppisten laskentaongelmien nopeaan ratkaisuun. Kvanttitietokoneen toteutusmalleja on useita, ja parhaillaan niiden välillä käydään kiivasta kilpajuoksua. Aika näyttää, mitkä teknologiat jäävät elämään.

Esimerkiksi IBM on julkistanut niin sanotun porttimallin mukaisen Q-kvanttitietokoneen ja Microsoft kehittää StationQ-kvanttitietokonetta. Kolmas malli, joka lupaa ehkä vähiten mutta on teknisesti helpoiten toteutettavissa, on adiabaattinen malli. Kanadalainen D-Wave Systems on julkistanut tähän pohjautuvan kaupallisen kvanttitietokoneen jo muutama vuosi sitten.

Ala on joka tapauksessa yhä alkumetreillään niin teknologian kuin ohjelmointimalliensa suhteen. Onkin osuva analogia verrata kvanttitietokoneiden nykytilaa klassisiin tietokoneisiin 1950-luvulla.
 

Kubitti korvaa tavanomaisen tietokoneen bitin

Kvanttikoneen toiminta eroaa perinteisen tietokoneen toiminnasta merkittävästi. Tavanomaisten tietokoneiden bitin (0 tai 1) korvaa kvanttilaskennassa kvanttibitti eli kubitti (qubit), joka voi olla 0 ja 1 samaan aikaan eli kahden tilan superpositiossa.

Superpositio ei vielä yksikseen riitä, vaan kvanttilaskentaan tarvitaan sekä tilojen superpositio että niiden lomittumisena tunnettu kvantti-ilmiö. Siinä kvanttitilat voivat olla kytkeytyneitä toisiinsa tavalla, jolla ei ole vastaavuutta arkimaailmassa. Yhden kubitin tila voidaan lomittaa toisen kubitin superpositiotilaan siten, että toisen kubitin arvon (0 tai 1) määrittäminen kiinnittää välittömästi myös toisen kubitin arvon. Nämä yhdessä mahdollistavat monimutkaisen yhtäaikaisen laskemisen.

D-Waven kvanttitietokone perustuu kvanttijäähdytykseen (quantum annealing). Kvanttitietokoneen prosessori voidaan virittää kaikkien ratkaisujen superpositioon, jolloin kaikki kubitit ovat 0 ja 1. Purkamalla superpositio riittävän hitaasti prosessori jää minimienergiaa vastaavaan puhtaaseen tilaan, jossa kubitit ovat joko 0 tai 1.
 

Mikä laaksoista on matalin?

Sitä voidaan havainnollistaa ajattelemalla ilmakuvaa vuoristoisesta alueesta ja kysymällä, mikä laaksoista on matalin? Kvanttitietokone siis suorittaa yhtäaikaisesti otannan kaikista laaksoista eli kaikista mahdollisista tiloista, siinä missä klassinen algoritmi etsisi syvintä laaksoa vertaamalla niitä toisiinsa yksi kerrallaan.

Tarkkaan ottaen D-Waven kvanttitietokone siis ratkaisee rajoitteettoman neliöllisen binäärioptimointiongelman yhdessä prosessorisyklissä aiemmin keskusteltuja kvanttimekaanisia ilmiöitä hyödyntäen. Siinä, missä tavallisen tietokoneen perusoperaatiot ovat aritmeettisia, D-Waven koneen perusoperaatio on siis edellä mainittu minimointitehtävä.

Toisin sanoen jokainen kvanttitietokoneella laskettava ongelma onkin esitettävä minimointitehtävänä! Hieman karkeistaen voidaankin ajatella seuraavasti: jos haluamme normaalilla tietokoneella laskea minimointitehtävän, tarvitsemme numeerisen optimointialgoritmin, joka tekee viime kädessä yhteen- ja kertolaskuja – ja tämä muovataan tietokoneohjelmaksi. Jos puolestaan haluaisimme laskea yksinkertaisen yhteenlaskun D-Waven kvanttitietokoneella, on se esitettävä monen välikerroksen kautta minimointitehtävänä.

Onkin ilmeistä, että D-Waven tietokoneelle soveltuvat ongelmat ovat luonteeltaan optimointitehtäviä itsessään, ja muuta sillä ei kannata edes yrittää. Toki sen kaltaisia tehtäviä tieteellisessä laskennassa riittääkin. Hyvä esimerkki tästä on se, että suurin osa fysiikan alan laskentaongelmista ovat lopulta energian minimointiongelmia.

D-Waven koneen voi perustellusti odottaa pystyvän ratkaisemaan myös sellaiset optimointiongelmat, jotka ovat mahdottomia ratkaista nopeimmillekaan tavallisille supertietokoneille. Haasteeksi jää kuitenkin tutkittavan kysymyksen esittäminen optimointiongelmana sekä nykyisen koneen kubittien lukumäärän ja kytkettävyyden riittävyys.

D-Waven koneella tehtyjä tieteellisten ongelmien ratkaisuja on julkaistu jo jonkin verran. Vakuuttavimpia näistä ovat elokuussa Nature-lehdessä julkaistu monimutkaisen kvanttifysikaalisen systeemin simulaatio sekä kesäkuussa Science-julkaisussa raportoitu työ samoin kompleksisten kvanttisysteemien alalta.
 

CSC on järjestänyt työpajan kvanttitietokoneen ohjelmoinnista

Suomessa ei – ainakaan toistaiseksi – ole kvanttitietokonetta, mutta Tieteen tietotekniikan keskus CSC on järjestänyt kahdesti työpajan D-Waven koneen ohjelmoinnista, jossa osallistujat ovat päässeet käsiksi Kanadassa sijaitsevaan kvanttitietokoneeseen. D-Wave on myös antanut kvanttiprosessoriaikaa CSC:n jaettavaksi.

Myös suomalaiset tutkijat ovatkin tuottaneet tieteellisiä ongelmia D-Waven koneelle muun muassa kvanttisysteemien simuloinnista. Nämä tulokset ovat kuitenkin vielä julkaisematta.

Kvanttitietokonealgoritmit ovat todellinen terra incognita; jokainen onnistunut lasku kvanttitietokoneella on tällä hetkellä julkaisun arvoinen tieteellinen löydös.

Panostamalla kvanttitietokoneisiin liittyvän osaamisen kehittämiseen voitaisiin Suomeen luoda jo nyt kansainvälisesti kilpailukykyistä ja eturintamassa olevaa tutkimusta. Kvanttitietokone kun kuitenkin on täällä jo tänään ja hyvinkin suurella todennäköisyydellä se on tullut jäädäkseen.

KUVA: THINKSTOCK

 

Julkaistu alunperin 1.12.2018.

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

Pekka Manninen

Dr Pekka Manninen is a supercomputer geek and a program director in charge of the EuroHPC pre-exascale service LUMI. Twitter:@pekkamanninen

pekka.manninen(at)csc.fi