Kvanttilaskennan kohdennetun hyödyn aikakausi tulee – oletko valmis?

Kvanttilaskenta on vilkkaan tutkimuksen ja keskustelun kohteena. Yritykset miettivät kuumeisesti, pitäisikö tähän reagoida jotenkin ja mielipiteitä on laidasta laitaan. Toiset ovat odottavalla kannalla ja haluavat nähdä ensimmäiset läpimurrot, toiset ovat jo perustaneet kvanttilaskennan tiimejä harjoittelemaan soveltamista yrityksen omaan toimialaan. Tuhlaavatko pioneerit resurssejaan vai pitäisikö epäilevienkin yritysten liittyä kokeilijoiden joukkoon? Vilkkaan keskustelun synnyttämä hype saattaa estää näkemästä teknologian todellista luonnetta ja vaikeuttaa päätöksentekoa. Liian suuret odotukset johtavat pettymykseen, toisaalta kehityksen huomiotta jättäminen voi olla riski ja antaa kilpailijoille liikaa etumatkaa.

Yksi keskustelun aihe on kubittien lukumäärä. Lukuja on hyvin erilaisia, mikä vaikeuttaa alan ymmärtämistä. kanadalainen kvanttilaskentayritys D-Wave tarjoaa 5 000 kubitin laskinta, IBM julkaisi 1 000 kubitin koneen, Yhdysvalloista ja Iso-Britanniasta ponnistavalla Quantinuumilla on 32 kubittia ja VTT on rakentamassa 50 kubitin konetta. Onko koneiden paremmuus kiinni kubittien määrästä?

Toinen keskustelun hämmentäjä on kvanttilaskennan algoritmit, joiden laskentavoima on teoreettisesti osoitettu, mutta joiden hyödynnettävyys odottaa virhekorjatun kvanttilaskennan aikakautta. Nykyisellään kvanttilaskennassa on vielä virheitä, jotka johtuvat kubittien herkkyydestä ja jotka voivat johtaa virheellisiin laskentatuloksiin. Algoritmeja voi kyllä ajaa nykykoneilla, mutta vain niin pienille ongelmille ja niin huonolla tarkkuudella, että kokeilijoiden mielenkiinto saattaa lopahtaa alkuunsa.

Ideaalisessa kvanttitietokoneessa yhtäaikaisten tilojen määrä kasvaa eksponentiaalisesti kubittien määrän kasvaessa. Jo 50 kubitilla lähestytään supertietokoneiden muistikapasiteetin rajoja, sillä 50 kubitin kvanttitietokone laskee 2⁵⁰ eli 10¹⁵ kompleksiluvulla. Miksi sitten IBM:n 1 000 kubitin kone ei jo päihitä ylivoimaisesti kaikkia muita kvanttitietokoneita ja maailman supertietokoneita? Koska kubittien määrä ei kerro kaikkea, vaan oleellisia tekijöitä ovat myös kubittien laatu, niiden keskinäinen kytkeytyvyys ja kohinan määrä.

Tämän hetken kvanttitietokoneet ovat kohinaisia ja kubitit vain rajallisesti kytkeytyneitä, joten ne eivät yllä teoreettisen kvanttitietokoneen laskuvoimaan – eivät vielä lähellekään, vaikka koneessa olisi 1 000 kubittia. Elämme nyt kvanttilaskennan harjoittelun aikakautta, ja koko maailma harjoittelee kvanttitietokoneiden rakentamista, käyttöä ja soveltamista.

Kubittien laatua kutsutaan fideliteetiksi, ja se kertoo millä todennäköisyydellä yksi operaatio kubitilla onnistuu ilman virhettä. Kun fideliteetti paranee, yhä useampi operaatio voidaan suorittaa peräkkäin järkevällä onnistumisprosentilla ja kvanttitietokone voi ratkaista yhä monimutkaisemman ongelman.

Tämän hetken fideliteetit mahdollistavat 2000–3000 kahden kubitin välistä operaatiota. Tällä määrällä voidaan ratkoa parhaiten kohdennettuja ongelmia, jotka sopivat kvanttitietokoneen kubittien välisen kytkennän arkkitehtuuriin. Tällaisia ovat esimerkiksi tiettyjen kvantti-ilmiöiden simuloinnit. Ratkaisun laatu ja nopeus lähestyvät klassisilla menetelmillä tehtävää laskentaa.

Fideliteetit ovat parantuneet jopa ennustettua nopeammin. Onkin odotettavissa, että noin 3–5 vuoden aikahaarukassa meillä on koneita, joiden fideliteetit mahdollistavat 10 000 kahden kubitin operaation ajamisen. Tällöin kvanttitietokone voi laskea jonkin ongelman nopeammin, ympäristöystävällisemmin tai laadukkaammin kuin paras klassinen algoritmi supertietokoneella. Saavutamme kohdennetun hyödyn aikakauden. Hyöty ei ole yleinen laskentaetu, mutta tulee silti mullistamaan maailmaa osoittamalla, että kvanttitietokone pystyy laskemaan hyödyllisen ongelman tehokkaammin kuin klassinen tietokone.

Yritysten ja teollisuuden pitäisi lähteä tutkimaan kohdennetun hyödyn mahdollisuutta jo nyt, jotta se voidaan valjastaa käyttöön heti, kun mahdollista. Tätä etua ei pidä antaa kilpailijoille, jotka saattavat jo olla tutkimassa omia ongelmiaan.

Fideliteetin paraneminen mahdollistaa virhekorjatun kvanttilaskennan. Useammat kohinaiset kubitit voivat yhdessä muodostaa yhden laskennallisen kubitin ja kohinaisten kubittien virheet voidaan huomata ja korjata muiden kubittien avulla. Näin tämän laskennallisen ylemmän tason kubitin fideliteetti paranee entisestään.

Kun meillä on satoja tuhansia tai miljoonia riittävän laadukkaita kohinaisia kubitteja, voimme muodostaa niistä satoja tai tuhansia riittävän laadukkaita virhekorjattuja kubitteja. Virhekorjattujen kubittien ansiosta on mahdollista ajaa yleisiä kvanttialgoritmeja, joiden etu klassiseen laskentaan nähden on teoreettisesti osoitettu. Sitten onkin vain algoritmista ja ongelmasta kiinni, kuinka paljon virhekorjattuja kubitteja tarvitaan edun saamiseksi.

Virhekorjatun yleisen hyödyn aikakausi odottaa 10–15 vuoden horisontissa. Vaikka tähän on vielä matkaa, yritysten olisi tärkeää jo nyt lähteä tutkimaan omia laskennallisia käyttötapauksiaan: mitkä ongelmat sopivat virhekorjatulle kvanttilaskennalle ja mitkä eivät?

Vielä ehtii harjoitella ja parantaa omaa kvanttilaskentastrategiaansa. Kohdennetun hyödyn aikakausi koittaa lähivuosina. Kaikki yritykset ja toimialat eivät pysty siitä hyötymään, mutta joillekin se voi olla elinehto. Avoin kysymys on, kuka hyötyy ja kuka ei. Vastaus selviää vain hyppäämällä mukaan sitä selvittämään.