Järjestelmäpiirit, kvanttitietokoneet sekä näiden synteesi

Abstract

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan järjestelmäpiirejä (engl. System-on-Chip, SoC), kvanttitietokoneita sekä järjestelmäpiirien ja kvanttitietokoneiden synteesiä. Erityisesti käydään läpi järjestelmäpiirien sekä kvanttitietokoneiden toimintaperiaatteita ja miten nämä eroavat toisistaan. Lisäksi tutkitaan kvanttitietokoneiden etuja sekä mihin kvanttitietokoneiden ja järjestelmäpiirien synteesiä tarvitaan. Tutkimus on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Järjestelmäpiirit ovat useista laitteisto- ja ohjelmistokomponenteista koostuvia kokonaisuuksia. Niiden tärkeimpiin laitteistokomponentteihin kuuluvat erilaiset prosessorit sekä muistit. Näiden komponenttien toiminta perustuu bittien käsittelyyn. Yksi tärkeimmistä ohjelmistokomponenteista on käyttöjärjestelmä, joka tehostaa laitteistokomponenttien toimintaa. Käyttöjärjestelmä tarjoaa myös rajapinnan ihmisen ja tietokoneen väliseen vuorovaikutukseen. Tämä mahdollistaa ihmisen antamaan käskyjä tietokoneelle erilaisten ohjelmointikielten avulla. Kvanttitietokoneiden prosessorit käyttävät bittien sijaan kubitteja. Kubittien ansiosta erityisissä tilanteissa kvanttitietokoneet ovat äärimmäisen tehokkaita ja ylittävät perinteisten vastineidensa laskentakyvyn merkittävästi. Tämä ero tuo mukanaan reaalimaailman sovelluksia. Kryptografiana tunnettu ala tuleekin kokemaan täyden uudistuksen kvanttitietokoneissa käytettävän Shorin algoritmin myötä. Käytännön toteutuksessa kvanttitietokone vaatii kvanttiprosessorin lisäksi kubittien kryogeenisen kontrollijärjestelmän sekä mittaus- ja virheenkorjausjärjestelmät. Kvanttitietokoneita on jo olemassa, mutta ne eivät ole nykyisellään vielä yleiseen käyttöön soveltuvia. Ne ovat nykyisessä tilassaan liian suuria fyysiseltä kooltaan sekä käytännössä kömpelöitä. Järjestelmäpiirien ja kvanttitietokoneiden synteesi tarjoaa mahdollisuuden pienentää kvanttitietokoneiden kokoa huomattavasti, kun itse kvanttiprosessori ja muut tarvittavat tukijärjestelmät voidaan integroida yhdelle piirille eli järjestelmäpiirille. Tämän synteesin avulla on myös mahdollista säästää kryogeenisten jäähdytysjärjestelmien energiakustannuksissa.