Inspiraatiota

Kvanttitietokone on tietotekniikan seuraava jätti

Tietokoneteknologia on uuden aikakauden äärellä. Kvanttitietokone on ollut teoriatasolla olemassa jo yli 30 vuoden ajan, mutta vihdoin näyttää, että ideasta tulee totta. Kiehtova kvanttitekniikka voi mullistaa niin tietoturvan, lääketieteen, teollisuuden kuin tekoälynkin.

Intelin perustajan Gordon Mooren mukaan nimetty Mooren laki toteaa, että transistorien lukumäärä mikropiireissä kaksinkertaistuu joka vuosi. Se tarkoittaa sitä, että prosessorit tuplaavat nopeutensa vuosittain.

Vuonna 1975 Moore muutti ennustustaan niin, että lukumäärä tuplaantuisi kahden vuoden välein. Ennuste on osoittautunut melko paikkaansa pitäväksi viimeisten sadan vuoden aikana.

Fysiikan lait kuitenkin asettavat rajoituksia sille, kuinka paljon transistoreja yhdelle prosessorisirulle voi mahtua. Lisäksi täysin uudenlaiset tavat suunnitella tietokoneita ovat vieneet huomiota perinteisten tietokoneiden kehittämiseltä. Uutta teknologiaa edustaa kvanttitietokone.

Kvanttimekaniikkaa hyödyntämällä on mahdollista rakentaa tietokone, joka on joissakin tehtävissä miltei rajattomasti nopeampi kuin perinteinen tietokone. Kvanttitietokoneet voivat johtaa merkittävään edistymiseen aloilla, joilla erittäin suuri laskennallinen kapasiteetti on välttämätöntä. Esimerkiksi ihmiskehon pienimpiä osia tai koneoppimista koskevat tutkimukset vaativat suurien datamäärien käsittelyä.

Ykköset ja nollat yhtä aikaa

En vanlig dators minsta beståndsdel kallas ”bit” och kan ha värdet 1 eller 0. Åtta ”bitar” bildar en ”byte” och genom kombinationen av ettor och nollor lagrar vi data i våra datorer.

Tavallisen tietokoneen pienin tiedon osa on bitti, ja kahdeksan bittiä muodostaa tavun. Bitti on arvoltaan 1 tai 0. Tietokone tallentaa tietoja yhdistämällä ykköset ja nollat. Kvanttitietokone käyttää niin sanottuja kubitteja (qubits). Ne voivat olla sekä nollia, ykkösiä että kaikkia mahdollisia arvoja siltä väliltä samanaikaisesti. Sitä kutsutaan kvanttimekaaniseksi superpositioksi. Toisin kuin tavallisessa tietokoneessa, jossa esimerkiksi 20 bitillä voi olla yksi 20 arvosta kerrallaan, 20 kubitilla voi olla 220 eli yli miljoona arvoa samanaikaisesti. Tämä tarjoaa potentiaalisesti valtavan laskentakapasiteetin.

Jotta useista kubittiarvoista olisi hyötyä, tulee niiden olla lomittuneessa tilassa. Lomittuminen on kvanttimekaaninen ilmiö, jossa kubittijärjestelmässä suoritettava laskentatoimenpide vaikuttaa kaikkiin muihin bitteihin samassa järjestelmässä.

Kvanttitietokone ei ole tavallista tietokonetta nopeampi kaikissa laskelmissa, vaan se on jopa huonompi arkisissa tehtävissä, kuten elokuvan suoratoistossa tai nettisurffailussa. Tietyistä tehtävistä kvanttikone suoriutuu kuitenkin lyömättömästi.

Miten käy turvallisuuden?

Esimerkiksi alkulukujen jakaminen on kvanttitietokoneelle erinomaisesti soveltuva tehtävä. Alkuluvut ovat positiivisia kokonaislukuja, jotka ovat jaollisia vain ykkösellä ja itsellään. Niitä käytetään avaimina salausalgoritmeissa siksi, että kaikkien noin 4x10^18 tunnetun alkuluvun testaaminen salauksen murtamiseksi veisi tavalliselta tietokoneelta ikuisuuden. Koska kvanttitietokone voi teoriassa testata kaikkia yhdistelmiä samanaikaisesti, se voisi laskea vastauksen saman tien.

Tietoturvan ja tietojen salausten on siis muututtava, kun sekä tavallisilla käyttäjillä että kyberrikollisilla on käytössään kvanttitietokoneita. Yksi mahdollisuus on käyttää kvanttisalausta, jonka murtaminen on teoriassa mahdotonta.

Ruotsi kulkee eturintamassa

Chalmersin teknillisessä korkeakoulussa Göteborgissa on tutkittu kvanttitietokoneita jo lähes 20 vuoden ajan. Viime vuonna laitos sai yhteensä lähes 934 miljoonaa euroa kymmenvuotisen tutkimushankkeen rahoittamiseksi. Hankkeen tavoitteena on luoda 100-kubittinen kvanttitietokone.

Kvanttitietokoneita on jo markkinoilla: esimerkiksi kanadalaisen D:Wave-yrityksen D:Wave 2000Q on hinnaltaan noin 13 miljoonaa euroa. Asiantuntijat ja tutkijat ovat olleet skeptisiä sen suhteen, voiko D:Waven tosiaan luokitella kvanttitietokoneeksi. Epäilyt eivät ole estäneet Googlea ja Nasaa tekemästä kokeiluja D:Waven laitteistoilla.

Kvanttitietokoneet kiinnostavat myös IBM:ää, joka on lanseerannut pilvipalveluna IBM Q Experience. Palvelussa kuka tahansa voi testata, miten kvanttitietokone toimii. Koska kvanttitietokoneet ovat suuria, paljon energiaa kuluttavia ja erittäin alttiita häiriöille, ne ehkä tulevatkin lähitulevaisuudessa saataville nimenomaan pilvipalveluina.

Mihin kvanttitietokonetta voi käyttää?

1. Optimointi

Moni paljon matkustava haluaa selvittää, mikä on optimaalisin reitti usean kohteen välillä. Asia saattaa kuulostaa mitättömältä, mutta jo 270 kohteen välille muodostuvia reittimahdollisuuksia on enemmän kuin koko universumissa atomeja. Koska kvanttitietokone pystyy vertaamaan valtavaa määrää yhdistelmiä samanaikaisesti, se voi ratkaista tällaisia optimointihaasteita ongelmitta.

2. Koneoppiminen ja tekoäly

Koneoppimisen ja tekoälyn kehityksessä on haastavinta se, että ne vaativat valtavien tietomäärien käsittelyä. Kvanttitietokoneen valtava laskentateho mahdollistaa suuren kehitysharppauksen näillä aloilla.

3. Lääketiede ja teollisuus

Tietokoneelta vaaditaan suurta laskentatehoa esimerkiksi silloin, kun halutaan selvittää, miten uusi lääke toimii. Jo muutamien molekyylien käyttäytymisen simulointi vaatii todella paljon prosessointitehoa. Sama pätee myös teollisuudessa, kun tutkitaan esimerkiksi eri materiaalien molekyylien käyttäytymistä. Kvanttitietokoneen kyky käsitellä monimutkaisia ongelmia on eksponentiaalisesti tavallista tietokonetta suurempi, joten se soveltuu erinomaisesti molekyylitason simulaatioihin.

Pysy ajan tasalla viimeisimmissä tekniikkatrendeissä seuraamalla LinkedInissa.

Kuulostaako pelottavalta, että kvanttitietokone voi kääntää nykyisen IT-tietoturvan päälaelleen? Älä huolehdi, emme ole vielä siellä, mutta monet muut tietoturvauhkat voivat uhata sinua nyt.

Kvanttitietokone murtaisi vaikeimmankin salausalgoritmin hetkessä.

17 syyskuuta 2018

Aihealue