Kvanttifysiikka – Nykyisyyden perusta ja astinlauta tulevaisuuteen

Kvanttifysiikka on jo lähes vuosisadan ollut teknologisen kehityksen peruspilareita. Erityisesti uusien materiaalien kehittäminen ja puolijohteisiin perustuva elektroniikka ovat ollut mahdollisia kvanttifysiikan avulla. Nykyisellä informaation aikakaudella kvanttifysiikka on jälleen tullut uudella tavalla ajankohtaiseksi. Siitä ovat nykyisin erkaantuneet monitieteiset alat kvantti-informaatio ja kvanttilaskenta.

Miten kvanttifysiikka sitten liittyy laskemiseen? Laskeminen tai ylipäätään kaikki informaation prosessointi tapahtuu pääsääntöisesti jollakin apuvälineellä, kuten helmitaululla, taskulaskimella tai tietokoneella. Informaatio on tällöin kirjoitettu johonkin fysikaaliseen systeemiin. Kyseiseen systeemiin vaikuttavat fysiikan lait määräävät näin myös informaation käsittelyn rajat. Tämä koskee erityisesti myös kvantti-informaatiota, eli kvanttisysteemiin koodattua informaatiota. Kvanttifysikaalinen laite, kuten kvanttiprosessori, pystyy hyödyntämään kvanttifysikaalisia ilmiöitä ja kvanttiresursseja käsitellessään kvantti-informaatiota. Toisaalta tällöin informaation käsittelyä koskevat myös kvanttifysiikan rajoitukset, kuten kvantti-informaation kopioinnin mahdottomuus.

Tietokoneen käyttö johonkin tiettyyn tarkoitukseen perustuu aina algoritmeihin. Algoritmit ovat ohjeita tietyn tehtävän suorittamiseen. Tyypillisesti jonkin tehtävän voi tehdä monella eri tavalla, joista jokin tapa saattaa olla paras. Saman tehtävän suorittavien algoritmien paremmuus ratkaistaan sillä, miten vähän aikaa ja tilaa eli muistipaikkoja ne tehtävään käyttävät. Kvanttitietokone tarvitsee erityisiä kvanttialgoritmeja voidakseen hyötyä kvantti- informaation erilaisuudesta. Kvanttialgoritmi on sinänsä myös algoritmi, mutta siinä laite ohjeistetaan tekemään jotakin “kvanttimaista”. Ilman erityisiä kvanttialgoritmeja kvanttitietokone ei toiminnaltaan ole tavallista tietokonetta parempi. Itse asiassa se luultavasti tekisi samoja asioita paljon huonommin, sillä tavallinen tietokone on suunniteltu nimenomaan toteuttamaan tavallisia algoritmeja mahdollisimman hyvin ja on siinä tehtävässä erinomainen.

Olennaista kvanttitietokoneen toiminnassa on, että syötetty tieto on laskennan välitilassa kvantti-informaation muodossa. Tämä antaa mahdollisuuden yrittää löytää uusia tapoja ratkaista vaikeita laskuja nopeammin. Kvanttitietokone saattaa pystyä käyttämään laskennan oikoreittiä, eli kvanttialgoritmia, johon tavallisella tietokoneella ei ole pääsyä. Sellaisen löytäminen ei ole kuitenkaan helppoa eikä ole edes takeita, että jotain tiettyä tehtävää varten olisi kvanttialgoritmi. Niinpä kvanttitietokoneet eivät korvaa tavallisia tietokoneita, vaan tulevat niiden rinnalle. Kun supertietokone saa kvanttiprosessorin avukseen, voidaan esimerkiksi vaikeita optimointilaskuja laskea merkittävästi nykyistä nopeammin. Ääritapauksessa jokin lasku voi olla niin hankala tavalliselle tietokoneelle, ettei sitä pystyisi laskemaan edes sadassa vuodessa, mutta kvanttiprosessorin avulla saman laskun saattaa pystyä laskemaan minuutissa. Nopea laskeminen ei siis tarkoita ainoastaan lyhyempää odottelua, vaan voi joissakin tapauksissa tehdä käytännössä mahdottomasta asiasta mahdollista. Kvanttilaskennan tutkimus tulee määrittelemään uudelleen sen, mitä on mahdollista laskea.