QC ratkaisee suurimpia ongelmia

Monilla toimijoilla on kvanttitietokoneen toteuttamiseksi erilaisia toteutusmalleja. Kaikki tavoittelevat samaa asiaa: kapasiteetin ja luotettavuuden nostamista riittävälle tasolle. Saavutettaessa sellainen kapasiteetti, että suurimpien ongelmien laskeminen tulee mahdolliseksi, tapahtuu merkittäviä edistysaskeleita monilla aloilla. Kannattaa arvioida missä määrin omat ratkaisut ja palvelut kehittyisivät, jos kehittämiseen sovelletaan kvanttilaskentaa. Jos kilpailijat lähtevät hyödyntämään sitä, he voivat saada merkittävän etulyöntiaseman.

Mikä on kvanttitietokone? Kvanttitietokoneet ovat mullistava teknologia, jonka lupauksena on perinteisten tietokoneiden laskentatehon rajojen murtaminen. Ne perustuvat kvanttimekaniikan periaatteisiin ja ominaisuuksiin, jotka mahdollistavat samanaikaisen laskennan valtavan suurella määrällä dataa. Tämä avaa ovia monille ongelmille, jotka ovat perinteisten tietokoneiden ulottumattomissa. Perinteiset tietokoneet käyttävät bittejä, jotka voivat olla joko nollia tai ykkösiä, tietojen tallentamiseen ja laskemiseen. Kvanttitietokone laskee kubiteilla. Kvanttitietokoneet hyödyntävät kvanttimaailman (atomit, elektronit, fotonit) kvanttiominaisuuksia, kuten superpositiota ja kytkeytymistä. Nämä ominaisuudet mahdollistavat kvanttitietokoneelle mahdollisuuden käsitellä tietoa huomattavasti tehokkaammin.

Kvanttitietokone toimii hyvin sellaisissa laskentatehtävissä, joissa pitää simuloida erittäin monimutkaisia systeemejä. Kvanttitietokoneet sopivat erinomaisesti kemiallisten yhdisteiden, materiaalien tai lääkeaineiden molekyylitasolla simulointiin. Niiden avulla voidaan löytää optimaalisesti erilaisiin tarpeisiin sopivia yhdisteitä, mikä voi mullistaa esimerkiksi lääkekehityksen ja materiaalitutkimuksen.

QC+AI voi muuttaa kaiken

Yksi merkittävä asia tulee olemaan kvanttitietokoneen yhdistäminen tekoälyyn. Kvanttitietokone pystyy käsittelemään suuria tietomääriä samanaikaisesti ja sen avulla pystytään etsimään optimaalisia ratkaisuja nopeammin. Kun tähän yhdistetään tekoälyn sovellukset, joita voidaan suorittaa tavallisilla tietokoneilla, tullaan näkemään valtavia edistysaskelia monilla tieteen aloilla, robotiikassa jne. Tekoälyn oppiminen ja sen avulla uusien ratkaisujen etsiminen tulee nopeutumaan merkittävästi, kun tekoäly voi suorittaa vaativimmat laskennat QC:n avulla. Seuraavassa mindmapissa on kuvattuna esimerkkejä erilaisista käyttökohteista kvanttilaskennalle (saat kuvan suuremmaksi klikkaamalla, odota hetki, että kuva latautuu ensimmäisellä kerralla, se on sen verran suuri).

Terveellisiä herkkuja? Toisaalta ei olisi haittaa siitäkään, että QC:n avulla kehitettäisiin makeisten ja leivonnaisten kanssa samanlaisen reaktion aiheuttavia yhdisteitä. Ajattele, jos voisit ahmia jotain terveellistä, jossa ei ole sokeria tai rasvaa, mutta siinä maistuisi kaikki parhaiden herkkujen ominaisuudet…Näiden ”herkkuyhdistelmien” kehittäminen tulee nopeutumaan kvanttitietokoneella laskemalla paljon nopeammin kuin perinteisesti sekoittamalla aineksia ja maistelemalla. Sitä odottaessa… 😋

Maailman ruokatuotanto ja energian saatavuus edellyttävät monimutkaisten laskelmien suorittamista, joihin nykyiset tietokoneet eivät pysty. Jos pystytään ratkaisemaan fotosynteesin muodostuminen optimaalisesti, voidaan kehittää tapoja kasvattaa ruokaa paljon nykyistä tehokkaammin.

Energian saatavuuden ongelmat poistuvat, jos fuusioreaktorin magneettikentän ylläpitäminen pystytään ratkaisemaan. Normaaleissa lämpötiloissa toimivien suprajohteiden keksiminen muuttaisi energiasovelluksia. Sähkön varastoiminen parempiin ja nopeampiin akkuihin tulee mahdolliseksi. Jos keinotekoinen lehti pystytään kehittämään, pystytään tuottamaan energiaa edullisesti ja ympäristöystävällisesti. Keinotekoinen lehti auttaisi myös turvaamaan ruokatuotantoa.

Sairauksien vähentäminen ja lääkkeiden kehittäminen tulee helpottumaan merkittävästi. Syöpiä pystyään vähentämään, virusten toimintaa voidaan selvittää ja voidaan kehittää uusia lääkkeitä sekä esimerkiksi personoitua immuuniterapiaa. Samalla pystytään selvittämään vanhenemiseen vaikuttavia tekijöitä ja ehkä vanhentumista saadaan hidastettua.

Optimointi on yksi asia, jossa kvanttitietokone tulee auttamaan merkittävästi. Erilaiset optimointiongelmat on helppoa ratkaista kvanttitietokoneen avulla. Kvantteja voidaan kytkeä toisiinsa ja voidaan hyödyntää kvanttimaailman ominaisuutta, jossa molekyylit asettuvat ”vähimmän energian tilaan. Tämä ominaisuus auttaa löytämään optimaalisen ”reitin” myös erilaisen laskentaongelmien läpi.  Parhaiden kuljetusreittien laskeminen tai erilaisten toimintojen sijoittaminen maantieteellisesti ovat hyviä tehtäviä QC:n laskettavaksi.

Simulaatioita yleisesti voidaan laskea tehokkaammin. Näin voidaan selvittää molekyylien ja geenien toimintaa tai esimerkiksi aerodynamiikan vaikutuksia. Alkaa laskennallisen kemian ja ja kvanttibiologian aikakausi.

Ilmastonmuutoksen vaikutusten analysointi vaatii paljon tietojenkäsittelykapasiteettia. Niiden avulla erilaisia ennusteita pystyään tarkentamaan ja laskemaan erilaisia skenaarioita, joilla ilmastonmuutosta pystytään hillitsemään.

Haasteitakin on vielä ratkottavaksi. Yhtenä on isona muutoksena tietotekniikan alalla tulee olemaan uusien salausmenetelmien kehittäminen ja käyttöönotto. QC pysyy murtamaan nykyiset käytössä olevat salausmenetelmät, ja joissakin puheenvuoroissa on esitetty, että kaikki nykyiset järjestelmät ovat uhattuina. Kuitenkin, kvanttitietokoneiden avulla pystytään toteuttamaan murtamattomia tapoja muodostaa salattuja yhteyksiä.

Uutta osaamista tarvitaan. Kvanttitietokoneiden hyödyntäminen vaatii täysin erilaista tietokoneen ohjelmointia, kuten tähän asti on tehty. Tarvitaan paljon uutta ohjelmointiosaamista. Tämä on syytä ottaa huomioon esimerkiksi koulutuohjelmissa.

Kvanttitietokoneen kehittämisessä on vielä suuria haasteita ratkottavaksi. Tietokone pitää saada luotettavaksi, mutta sen toteuttaminen on hyvin haastavaa. Luotettavien kubittien rakentaminen on osoittautunut hankalaksi. Mutta kenties sinne päästään nopeammin kuin luullaankaan.

Lähteitä:

Quantum supremacy - how quantum computers will unlock the mysteries of science - and address humanity's biggest challenges (Michio Kaku).

https://www.popsci.com/science/daniele-bwamba-hershey-candy-scientist/

https://link.springer.com/article/10.1007/s10773-021-04789-x