Kvanttitietokone ja tekoäly tehokkuutta luomaan

Tänään Tekniikka ja Talous lehdessä kerrottiin merkittävästä edistysaskeleesta kvanttitietokoneen saralla, kvanttitietokoneita on jo käytössä maailmalla ja Suomessakin, mutta tässä artikkelissa kerrottiin siitä, että fyysikot edistyvät kvanttitietokoneen rakentamisessa käyttämällä molekyylejä.

Nykyinen Suomessa VTT:llä toimiva kvanttitietokone käyttää kubitteja, kun perinteinen tietokone toimii bittien 0 ja 1 avulla siis ei sähkövirtaa tai sähkövirtaa.

Verkkolehti SeAMK kertoo asiasta näin:

"Konventionaalisen tietokoneen toiminta perustuu bitteihin, jotka voivat saada arvon 0 tai 1. Tieto voidaan tallentaa biteistä muodostettujen hyvinkin monimutkaisten vain numeroita 0 ja 1 sisältävien binäärilukujen avulla. Esimerkiksi kirjain A binääriluku on 01000001. Kaikki tietokoneen tekemät toiminnot ovat bittien siirtelyä, käytännössä sähkövirran muuttelua.

Kvanttitietokoneessa bittien sijaan on käytössä kvanttibittejä eli kubitteja. Ne hyödyntävät kvanttimekaanista superpositio-ilmiötä.  Fysiikassa superpositio tarkoittaa usean samanaikaisen, samanlaatuisen ja samassa paikassa vaikuttavan osavaikutuksen yhdistymistä. Kvanttifysiikassa se on tulkittavissa periaatteeksi, jonka mukaan kahden tai useamman kvanttitilan summa on myös kvanttitila, ja toisaalta jokainen kvanttitila voidaan esittää kvanttitilojen summana. Kubitin arvo voi näin olla tavallisen bitin arvon 0 tai 1 lisäksi jotain siltä väliltä; ykkösen ja nollan superpositio, Kvanttitietokoneen suuri laskentateho liittyy nimenomaan kubittien superpositioon eli koneen tilojen suureen lukumäärään.

Kvanttitietokoneen kubitit voidaan toteuttaa teknisesti superjohtavuutta hyödyntämällä ns Josephsonin liitoksella, jos kubitteja on kaksi tai useampia, ne ovat toisiinsa kytkettyjä. Teknisesti kubitit ovat esimerkiksi hiukkasia tai suprajohteesta valmistettuja komponentteja. Suprajohtava piiri on sähköpiiri, jonka sähkövastus on nolla. Näitä piirejä on mahdollista rakentaa laskemalla  niiden lämpötila lähelle absoluuttista nollapistettä. Suprajohtavilla komponenteilla kubitin arvo on kytketty sähkön värähtelyyn sähköpiireissä. Sähkö värähtelee suprajohtavassa piirissä pienemmällä mahdollisella energialla, kun kubitti on tilassa 0.

Silloin kun kubitissa on vain yksi värähtelykvantti, kubitti on tilassa 1. Konventionaalinen tietokone tarvitsee kahdeksan bittiä esittämään kaikkia lukuja välillä 0...255, kvanttitietokoneelle riittää kahdeksan kubittia esittämään kaikkia lukuja välillä 0...255 samanaikaisesti."

Kubitti on kvanttibitti, fyysisesti ne voivat olla hiukkasia tai suprajohtavia virtasilmukoita, loogisina kubitteina myös niiden ryhmiä.

Palaan tämänpäiväiseen artikkeliin, jossa kerrotaan kuinka yksittäisiä molekyylejä käytettiin kubitteina ensimmäistä kertaa 0,00001 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Molekyylit on vangittu laserlaitteilla, joita kutsutaan myös "optiseksi pinseteiksi". Asia on uutisoitu Nature julkaisussa ja Science-lehdessä on julkaistu kahden tutkimusryhmän tuloksia. Tähä asti siis kubitteja on käytetty pääasiassa suprajohtavia piirejä, yksittäisiä tyhjiössä pidettäviä ioneja tai neutraaleja atomeja, nyt fyysikkotiimit ovat edistyneet molekyylien käyttämisessä neutraalien atomien sijaan. Lehti mainitsee, kuinka Princetonin yliopiston fyysikko Lawrence Cheuk kertoo molekyylien käytön tarjoavan ennennäkemättömiä tapoja käsitellä kvanttitietoa. Molekyylit ovat hieman monimutkaisempia, mikä tarkoittaa, että ne tarjoavat uusia tapoja sekä koodata kvanttitietoja että myös uusia tapoja niiden olla vuorovaikutuksessa.

Molekyylien pyöriminen pystyttiin pysäyttämään, jolloin ne edustivat kubitin 0-tilaa.

1-tilaa edustivat molekyylit, jotka laitettiin pyörimään pienimmällä mahdollisella kulmataajuudella. Molekyylikvanttitietokoneet ovat useimmissa sovelluksissa hitaampia kuin muita kubitteja käyttävät koneet, mutta molekyylit voivat olla luonnollinen ympäristö, jossa kvantti-informaatiota voidaan manipuloida käyttämällä kutriitteja, joilla on kolme mahdollista tilaa; -1, 0 tai +1. Kutritit eli kubitin kolmikantaiset vastineet voisivat tarjota tavan toteuttaa monimutkaisten materiaalien tai fysiikan perusvoimien kvanttisimulaatioita, kertoo Tekniikka ja Talous.

Tekoälyllä tarkoitetaan koneen kykyä käyttää perinteisesti ihmisen älyyn liitettyjä taitoja, päättelyä, oppimista, suunnittelemista ja jopa luomista. Tietokoneiden laskentatehon lisääntyminen, tiedon määrän valtava lisääntyminen ja uudet algoritmit ovat johtaneet tekoälyn läpimurtoihin. Tekoälyn uskotaan auttavan kansalaisia saamaan parempia terveydenhoitopalveluja, turvallisempaa tekniikkaa ja liikennettä. Tekoälyn ansiosta turvallisuus voi parantua työpaikoilla, yritykset hyötyvät tekoälyn suomasta mahdollisuudesta kehittää parempia palveluja, innovaatioita, teollisuudelle uusia kehitysmahdollisuuksia. Tekoälyn on pelätty vievän työpaikkoja, mutta toisaalta nykyisin on työvoimapula useasta syystä eri sektoreilla niin vapautuva työvoima voidaan uudelleenkouluttaa ja näin työllistää heidät.

Kun kvanttiteknologia ja tekoäly ovat mahdollistaneet  avaruuden tutkimisen nykyisen tunnetun maailmankaikkeuden alkuhetkiin saakka, astrofyysikot ovat kyenneet selvittämään kaikki silloisen maailmankaikkeuden fysikaaliset ominaisuudet ja ajankulun alkuhetkestä lähtien, kykenevät ennustamaan laskemalla tulevaa esimerkiksi kuinka nykyinen kotigalaksimme Linnunrata ja Andromedan galaksi yhdistyvät noin 2.5 - 5 miljardin vuoden päästä, ehkä uloimmat osat ovat jo kohdanneet. Andromeda lähestyy Linnunrataa noin 140 km/s vauhdilla ja tiedossa on, että muutakin liikettä on erisuuntaan.  

Kun kaikki edellämainittu on mahdollista laskea ja saada tieteen hyväksi käyttöön, niin uskoisin, että tekoälyllä ja kvanttitietokoneella voitaisiin laskea tehokkaasti julkishallinnon toiminnat niin, että olisi mahdollista tehdä valtion budjetti tasapainoon tai jopa ylijäämäiseksi. Se pitäisi olla tavoite hyödyntämällä nykyteknologiaa, jotta julkishallinto saataisiin tehokkaaksi ja yhteiskuntaa palvelevaksi ja veronmaksajien tuomat tulot tehokkaaseen käyttöön. Kukaan ei tee työtä tehokkaasti, jos uskoo, että taloudellisia resursseja on loputtomasti, kun lainaa otetaan ja seurauksena on inflaatio, alijäämäinen talous ja tehoton julkinen hallinto.

Arja Kolehmainen 11.12.2023 Helsinki

Lähteet: Tekniikka ja Talous 11.12.2023; SeAMK 1.7.2022 Jouni Björkman verkkojulkaisu, Wikipedia ja Europarlamentin sivut.