300px|right|thumb|alt=|D-Wave Systemsin kvanttisiru. Kvanttitietokone on kehitteillä oleva tietokone, joka hyödyntää kvanttitilojen superpositiota ja sen tarjoamia erityisiä mahdollisuuksia. Mikäli suurempien kvanttitietokoneiden rakentaminen onnistuu, niillä voidaan ratkaista tiettyjä ongelmia huomattavasti klassisia tietokoneita nopeammin. Esimerkkejä ovat salausavainten tekijöihin jako ja erityisesti kvanttimekaniikan mallintaminen.
Vuoteen 2019 mennessä kvanttitietokoneilla ei ole ratkaistu mitään sellaista ongelmaa, jota ei voitaisi ratkaista klassisesti samassa ajassa, eli saavutettu niin sanottua kvanttiherruutta. Lokakuussa 2019 Google väitti 54-kubittisen Sycamore-kvanttitietokoneensa suorittaneen menestyksellisesti 200 sekunnissa tehtävän, jonka simuloimiseen klassiselta supertietokoneelta olisi Googlen oman arvion mukaan kulunut aikaa 10 000 vuotta.. Kilpailija ja klassisten supertietokoneiden valmistaja IBM ei tuoreeltaan kiistänyt mahdollisesti saavutettua kvanttiherruutta mutta piti Googlen arviota koneensa suhteellisesta ylivoimasta räikeästi liioiteltuna.
Taustaa Jo vuonna 1959 amerikkalainen Nobel-palkittu fyysikko Richard Feynman huomasi, että elektronisten osien pienentyessä mikroskooppiseen mittaluokkaan kvanttimekaniikan ilmiöt tulevat yhä merkittävämmiksi. Hän vihjaisi, että niiden avulla voitaisiin kehittää yhä tehokkaampia tietokoneita. Erityisesti kvanttitietokonetutkijat toivovat pystyvänsä valjastamaan superpositioksi kutsutun ilmiön. Kvanttimekaniikan maailmassa objekteilla ei välttämättä ole selkeästi määrittynyttä tilaa. Asiaa havainnollistaa kuuluisa kaksoisrakokoe, jossa yksi valon fotoni kerrallaan läpäisee varjostimen, jossa on kaksi rakoa. Tällöin fotonit tuottavat interferenssikuvion superpositiona kaikista mahdollisista reiteistä. Jos taas yksi rako on suljettu tai mittalaitteella havainnoidaan, kumpaa reittiä pitkin fotoni kulki, interferenssikuvio katoaa. Seurauksena kvanttijärjestelmä ”on olemassa” kaikissa mahdollisissa tiloissa, kunnes mittaus ”romahduttaa” järjestelmän yhteen tilaan. Tämän ilmiön valjastaminen tietokoneessa mahdollistaa tietokoneiden laskentakykyjen suuren laajenemisen. Perinteinen binääritietokone käyttää binäärilukuja tai bittejä, jotka voivat olla kahdessa eri tilassa, jotka esitetään 0:na ja 1:nä. Näin ollen 4-bittinen tietokonerekisteri voi kerrallaan sisältää yhden 16:sta () mahdollisesta numerosta. Sitä vastoin kvanttibitti eli kubitti on samanaikaisesti aallon tapaisessa arvojen 0 ja 1 superpositiossa, jolloin 4-kubittinen tietokonerekisteri voi sisältää kaikki 16 lukua samanaikaisesti. Teoriassa kvanttitietokone voi siksi käyttää monia lukuja rinnakkaisesti, jolloin 30-kubittinen tietokone olisi verrattavissa digitaalisen tietokoneeseen, joka voi suorittaa 10 biljoonaa terafloppia sekunnissa (TFLOPS), mikä on verrattavissa nopeimpiin supertietokoneisiin.
1980–1990-luvulla kvanttitietokoneiden teoria eteni merkittävästi Feynmanin alkuvaiheen spekuloinnista. Vuonna 1985 Oxfordin yliopiston David Deutsch kuvasi kvanttiporttien rakentamista universaalille kvanttitietokoneelle, ja vuonna 1994 AT&T:n työntekijä Peter Shor kehitti algoritmin (Shorin algoritmi) kvanttitietokoneelle jakamaan kokonaislukuja alkutekijöihinsä, mikä vaatisi niinkin vähän kuin 6 kubittia. Tosin lukujen jakaminen tekijöihin kohtuullisessa ajassa vaatisi paljon suuremman määrän kubitteja. Jos käytännöllinen kvanttitietokone rakennetaan, nykyiset kahden alkuluvun kertomiseen perustuvat kryptografian metodit tulevat hyödyttömiksi. Tämän kompensoimiseksi kvanttimekaaniset ilmiöt tarjoavat uusia, kvanttikryptografiaksi kutsuttuja keinoja viestinnän suojaamiseen. Oikean kvanttitietokoneen rakentaminen on kuitenkin osoittautunut vaikeaksi. Vaikka niiden potentiaali on valtava, niin ovat niiden vaatimuksetkin. Kvanttitietokoneen täytyy ylläpitää kubittien välistä koherenssia (tunnetaan kvanttilomittumisena) niin pitkään, että algoritmi saadaan suoritetuksi. Miltei vääjäämättömästi tapahtuvat vuorovaikutukset ympäristön kanssa (dekoherenssi) tuhoavat koherenssin. Virheiden havaitsemiseksi ja korjaamiseksi tarvitaankin siksi käytännön menetelmiä. Lisäksi on kehitettävä luotettavia menetelmiä tiedon lukemiseen, koska kvanttijärjestelmän havainnoiminen häiritsee sen tilaa.
Toimintaperiaate Tavallinen tietokone käyttää laskennassa bittejä. Jokainen bitti sisältää joko ykkösen tai nollan, ja laite suorittaa laskutoimitukset bittien arvoja muuttamalla. Kvanttitietokone käyttää laskutoimituksissa kubittejä. Yksi kubitti voi sisältää joko ykkösen, nollan tai, tyypillisesti, ykkösen ja nollan superposition, jolloin kummankin toteutumiselle on oma todennäköisyytensä. Tilannetta havainnollistetaan tavallisesti Schrödingerin kissana tunnetulla ajatuskokeella.
Mahdollisten tilojen suuren määrän ansiosta kvanttitietokone voi suorittaa suuren määrän laskutoimituksia paljon nopeammin kuin binääritietokoneet. Kvanttilaskennassa tutkijat tavallisesti eristävät molekyylin, atomin tai subatomisen hiukkasen, manipuloivat sen spiniä ja mittaavat tulokset. Tähän tarkoitukseen on eristetty myös valon fotoneita. Toistaiseksi manipulointi on onnistunut vain kokeellisella tasolla. Kvanttilaskennan uranuurtajina olivat Paul Benioff (1980), Juri Manin (1980), Richard Feynman (1982) ja David Deutsch (1985) . Onnistuneet kokeet kvanttitietokoneiden saralla alkoivat 1990-luvun jälkipuoliskolla. Kyky suorittaa suuria määriä laskutoimituksia ja tehokkuus rinnakkaisprosessoinnissa tarkoittavat, että kvanttitietokoneita luultavasti käytetään tietoturvaa ja kryptografiaa vaativissa tehtävissä. Toinen mahdollinen hyöty kvanttitietokoneista tulee olemaan koon pieneneminen. Kuitenkin tähän mennessä koneisto, jota käytetään näissä projekteissa, on vieläkin melko suurta.
Superposition ansiosta kvanttitietokoneilla on potentiaalia ratkaista joitakin ongelmia klassisia tietokoneita nopeammin. Kvanttitietokoneessa moni luku on superpositiotilassa, ja kvanttitietokone suorittaa tätä kautta laskutoimituksen kaikille näille luvuille rinnakkain. Kvanttitietokoneessa yhden kubitin tila kaukovaikuttaa toisen tilaan ilman aikaviivettä, vaikka ne olisivat hyvinkin kaukana toisistaan. Tämä ominaisuus mahdollistaa tiettyjen, aiemmin liian suuren laskentatehon vaatineiden ongelmien tehokkaan ratkaisemisen. Kuuluisa esimerkki tästä on kvanttitietokoneelle suunniteltu Shorin algoritmi (1994), jolla luku voidaan jakaa tekijöihinsä tehokkaasti. Algoritmia voitaisiin käyttää murtamaan nykyisin yleisesti käytetty RSA-salakirjoitus.
Kvanttitietokoneiden rajoituksena on se, että mittaushetkellä superpositiot romahtavat. Siksi kvanttitietokoneella kyetään ratkaisemaan vain sellaisia ongelmia, joiden vastaus löytyy yhdellä kysymyksellä. Useampia kysymyksiä ongelman ratkaisemiseksi ei siis voida kysyä.
Kubitit
thumb|Kubittien superpositioita Tietoa varastoivia yksikköjä kutsutaan kubiteiksi (”kvanttibitti”). Fyysisesti ne voivat olla hiukkasia tai suprajohtavia virtasilmukoita, loogisina kubitteina myös niiden ryhmiä. Toisin kuin klassisessa tietokoneessa, jossa kussakin transistorissa on käytettävissä rajaton määrä varauksenkuljettajia, kvanttitietokoneessa yhdenkin kubitin häiriö tai menetys riittää laskun piloille menemiseen. Kvanttikoherenssi on vaikea säilyttää ja vaatii kubitin suojaamista hyvin ympäristön vaikutukselta. Energianmenetys |1> -> |0> tapahtuu kubitille vakiotodennäköisyydellä aikayksikössä. Toinen häiriö ovat satunnaiset muutokset kubitin energiassa, jotka muuttavat sen suhteellista tilaa. Usein myös tämän häiriön todennäköisyys kasvaa ajan myötä.Sank 11–14 Kubitit pysyvät tilassaan niin lyhyen aikaa, että tarvitaan keinoja, joilla joko voidaan jatkaa niiden pysymistä superpositiossa tai tehdä järjestelmä muuten sietämään virheitä paremmin. Toivottavaa olisi, että koko lasku voitaisiin suorittaa mahdollisimman nopeasti ja vähillä operaatioilla, koska jokainen operaatio osaltaan horjuttaa kubitin tilaa.Sank 16
Fyysisinä kubitteina on kokeiltu erilaisia objekteja: elektroneja, ioneja (atomeja) ja suprajohtavassa tilassa olevia virtasilmukoita. Toimiakseen kubittina valitulla kohteella tulee olla erityinen kvanttifysikaalinen ominaisuus, jota hyödyntää. Elektronin tapauksessa se on yleensä spin, ioneilla jokin sen elektronitiloista, joka voidaan valita vakaaksi, kuten atomikelloissa.Sank 16–19
Suprajohtavuutta ja Josephsonin liitosta hyödyntämällä voidaan normaaliin virtapiiriin luoda oskillaattori, joka toimii kubittina. Tätä menetelmää on hyödyntänyt muun muassa yritys D-Wave Systems.Sank 20–25
Virheenhallinta Kubitit ovat alttiita ulkoisille häiriöille ja niiden sietokykyä järjestelmässä voidaan kasvattaa muodostamalla loogiset kubitit useista yksittäistä, fyysisistä kubiteistä. Tällöin yksittäisen fyysisen kubitin tilan pilaava häiriö ei riitä estämään laskun etenemistä ja kubittien tilojen seuranta voidaan suorittaa yksi fyysinen osa kerrallaan. Näin vähennetään ryhmän yksittäiseen jäseneen kohdistuvaa rasitusta ja kasvatetaan sen ”eliniänodotetta”.Sank 29–32
Ohjelmointi ja algoritmit
Laskenta perustuu amplitudien interferenssiin. Tavoitteena on saada matemaattinen ongelma sellaiseen muotoon, että kvanttitietokoneessa oikea vastaus vahvistaa itseään, kun taas väärät vastaukset päinvastoin pyrkivät heikentämään itseään. Jos ongelmaa ei voida saattaa tällaiseen muotoon, kvanttitietokoneella ei luultavasti voida saada nopeusetua.
Toteutustapoja Kvanttitietokoneiden rakentamisessa kokeillaan ja yritetään monenlaisia fysikaalisia totutustapoja. Vaikka moni niistä havainnollistaa perusperiaatteet, mikään ei ole edistynyt kokeellista käyttöä pitemmälle. Neljä lupaavinta lähestymistapaa ovat suprajohteet, ioniloukut, kvanttipisteet ja fotoniikkaHardware for Quantum Computing, luku: Photonic Quantum Computing, s. 31-48 Building Quantum Computers: A Practical Introduction, luku: 4. Optics .
Vuonna 1998 Isaac Chuang Los Alamos National Laboratorysta, Neil Gershenfeld Massachusetts Institute of Technologystä (MIT) ja Mark Kubinec Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä kehittivät ensimmäisen, 2-kubittisen kvanttitietokoneen, johon voisi syöttää dataa ja saada tulokseksi ratkaisun. Vaikka heidän järjestelmänsä oli koherentti vain muutaman nanosekunnin ja triviaali merkittävien ongelmien ratkaisemisen kannalta, se havainnollisti kvanttitietokoneiden toimintaperiaatteita. Subatomisen hiukkasen eristämisen sijaan he hajottivat suuren määrän kloroformimolekyylejä (CHCL3) huoneenlämpöiseen veteen ja käyttivät magneettikenttää sen hiili- ja vetyatomien spinien orientoimiseen. Koska normaalilla hiilellä ei ole magneettista spiniä, heidän ratkaisunsa oli käyttää hiilen isotooppia 13. Ulkoisen magneettikentän suuntainen spin voitiin tällöin tulkita tulkita 1:ksi ja vastasuuntaisena 0:ksi, ja vety- ja hiili-13-ytimiä voitiin kollektiivisesti pitää 2-kubittisena järjestelmänä. Ulkoisen magneettikentän lisäksi radiotaajuista pulssia käytettiin spin-tilojen kääntämiseen yhdensuuntaisen ja vastasuuntaisen tilan välillä. Lisäpulsseja lähetettiin yksinkertaisen algoritmin suorittamiseen ja järjestelmän lopputilan tutkimiseen. Tämän tapaista kvanttitietokonetta voi laajentaa käyttämällä molekyylejä, joissa on enemmän yksilöllisesti kohdistettavia atomiytimiä. Vielä maaliskuussa 2000 Emanuel Knill, Raymond Laflamme ja Rudy Martinez Los Alamokselta ja Ching-Hua Tseng MIT:stä kertoivat valmistaneensa 7-kubittisen tietokoneen käyttämällä trans-krotonaldehydihappoa. Monet tutkijat suhtautuvat kuitenkin epäillen tämän magneettisen menetelmän laajentamiseen yli 10:n ja 15 kubitin, koska koherenssi pienenee nopeasti atomiytimissä.