Seuraava tietokoneesi ei vielä ole kvanttitietokone. Eikä ehkä sitä seuraavakaan, mutta näitä atomien mittakaavassa toimivia koneita kehitetään maailmalla nyt tosissaan. Viimeisimmät ennusteet toimivista kvanttikoneista on asetettu 2020-luvulle.
Nykyiset tietokoneet hyödyntävät puolijohdeteknologiaa, joka perustuu tavalliseen makrotason fysiikkaan. Puolijohdeteknologiaa voi tarkastella paljain silmin tai ainakin tehokkaan suurennuksen avulla. Kvanttitietokone on toista maata, sillä se perustuu alkeishiukkasten mittakaavassa toimivaan kvanttifysiikkaan.
Tavallisessa makromaailmassa pätevät fysiikan lait, joihin olemme tottuneet jokapäiväisessä elämässä. Olemme tottuneet esimerkiksi siihen, että jalkapallossa pallo on ilman tuomarivirheitä joko maalissa tai kentällä.
Alkeishiukkasten tasolla fysiikan lait muuttuvat kvanttifysiikaksi, jonka periaatteiden mukaan pallo voi olla joko kentällä, maalissa tai molemmissa yhtä aikaa. Tämä superpositioksi kutsuttu ominaisuus perustuu siihen, että atomeilla on aallonpituuksia, ja tämä aallonpituusalue on hiukkasen sijainnin todennäköisyysalue.
Puolijohteilla voidaan tietotekniikassa erottaa kaksi erilaista tilaa, joita kuvataan ykkösinä ja nollina eli bitteinä. Erottava tekijä voi olla esimerkiksi sähkövirta päällä - pois päältä.
Myös kvanttifysiikassa on ilmiöitä, joita voidaan käsitellä ykkösinä ja nollina. Periaatteessa kvanttitietokone voidaan rakentaa mistä tahansa alkeishiukkasten mittakaavaisesta järjestelmästä, jossa on kaksi toisistaan erotettavissa olevaa tilaa. Käyttökelpoisia ilmiöitä voivat olla esimerkiksi elektronin energiatila tai fotonin polarisaatio.
Toteutustavasta riippumatta olennaista on se, että kvanttifysiikassa nollien ja ykkösten avulla pystyy laskemaan nollan, ykkösen ja niiden yhdistelmän. Tämä ominaisuus avaa täysin uusia mahdollisuuksia tietojenkäsittelyyn. "Kvanttikone on joissakin laskennallisissa tehtävissä huomattavasti perinteisiä koneita tehokkaampi", sanoo kvanttilaskentaan erikoistunut Turun yliopiston dosentti Mika Hirvensalo.
"Tehokkuusero ei perustu suoritinnopeuteen verrattavaan asiaan, vaan siihen, että kvanttilaskennassa on mahdollista käyttää ongelmien ratkaisussa oikopolkuja, jotka perinteisessä laskennassa eivät onnistu."
Kvanttilaskentaa ei ole vielä käytännössä päästy juuri kokeilemaan, vaikka kvanttitietokoneille on jo luotu ohjelmiakin. Näillä ohjelmilla pystyy esimerkiksi murtamaan yleisesti käytettyjä salasanan suojausmenetelmiä. "Perinteisillä tietokoneilla näitä ei voi murtaa mielekkäässä ajassa", Hirvensalo toteaa.
Kvanttitietokoneiden mahdollisuudet kiinnostavat esimerkiksi fyysikkoja, sillä niiden avulla voi laskea ongelmia, joiden ratkaisuun nykytietokoneiden laskentateho ei riitä, kuten kvanttimekaniikan ilmiöitä.
Tämä kaikki on kuitenkin lähes pelkkää teoriaa siihen saakka, kunnes toimiva kvanttitietokone saadaan rakennettua. "Kvanttitietokone olisi luultavasti ihmisen rakentamista laitteista kaikkein vaativin käytettävän teknologian suhteen."
Tekniikkaa, joka mahdollistaisi tällaisen koneen rakentamisen ei vielä ole edes olemassa. Ongelma on siinä, että koneen tulisi toimia minimaalisen pienellä alkeishiukkasten tasolla. Sen lisäksi siinä tulee olla makrotasoinen laitteisto, jolla tietokonetta ohjataan.
Nykyisten tietokoneiden yhtä bittiä esittävä fyysinen järjestelmä koostuu miljoonista atomeista. "Kvanttifysiikan kannalta tällainen laite on makroskooppinen", Hirvensalo kuvaa.
Tällä hetkellä pisimmälle ehtineessä kvanttitietokoneessa on 12 erotettavaa tilaa eli kvanttibittiä. Se on vielä kaukana noin 1 000-2 000 kvanttibitin laitteesta, joka riittäisi nykyisten salasanojen purkamiseen.
