Veijo Hänninen

Kvanttitietokoneen skaalattavuutta etsien

Nykyisten kvanttiprosessoreiden kubittimäärät ylittävät jo tuhannen rajan mutta sekään ei vielä ratkaise skaalattavuuden vaatimusta. Niitä tarvittaisiin nykyisillä virheenkorjaustekniikoilla kaikkiaan jokunen miljoona.

Kilpailu kvanttitietokoneiden kehittämisestä on kiihtynyt muutaman viime vuoden aikana. Huippuluokan järjestelmät voivat nykyään ajaa yksinkertaisia algoritmeja käyttämällä kymmeniä kubitteja.

Suuri osa tästä menestyksestä on saavutettu porttipohjaisilla kvanttitietokoneilla. Sellaiset käyttävät fyysisiä komponentteja, etenkin suprajohtavia piirejä, isännöimään ja ohjaamaan kubitteja. Tämä lähestymistapa on melko samanlainen kuin perinteisissä klassisissa tietokoneissa. Nämä kaksi laskenta-arkkitehtuuria ovat siten suhteellisen yhteensopivia ja niitä voidaan käyttää yhdessä. Lisäksi virheenkorjauksen idea on sieltä kotoisin mutta sen toteuttaminen vaatii erittäin paljon apukubitteja.

Mittauspohjainen laskenta

Ratkaisua skaalauksen ongelmaan haetaan eri tekniikoiden ja virheenkorjausmenetelmien parantamisen sekä verkottumisen kautta mutta skaalaukseen voidaan valmistautua myös uudenlaisella optisella kvanttilaskentatekniikalla.

Optista kvanttilaskentaa on kehittänyt muun muassa Tokion yliopiston tutkijat. Nyt sitä ovat kehittäneet myös optisen Riken tutkimuslaitoksen kvanttilaskentakeskuksen kvanttilaskennan tutkimusryhmän Atsushi Sakaguchi, Jun-ichi Yoshikawa ja tiiminjohtaja Akira Furusawa.

Mittauspohjaiset kvanttitietokoneet käsittelevät informaatiota monimutkaisessa kvanttitilassa, joka tunnetaan nimellä klusteritila, joka koostuu vähintään kolmesta kubitista, jotka on liitetty yhteen lomittumisella.

Mittauspohjainen toiminta suorittaa mittauksen klusteritilan ensimmäisellä kubitilla. Tämän mittauksen tulos määrittää, mikä mittaus suoritetaan toiselle lomittuneelle kubitille, toimi jota kutsutaan myötäkytkentäiseksi prosessiksi. Tämä määrittää sitten, kuinka kolmas mitataan. Tällä tavalla mikä tahansa kvanttiportti tai -piiri voidaan toteuttaa sopivalla mittaussarjan valinnalla.

Mittauspohjaiset menetelmät ovat erittäin tehokkaita käytettäessä optisissa kvanttitietokoneissa, koska optiseen järjestelmään on helppo lomittaa suuri määrä kvanttitiloja. Tämä tekee mittauspohjaisesta kvanttitietokoneesta mahdollisesti helpommin skaalautuvan kuin porttipohjainen kvanttitietokone.

Jälkimmäistä varten kubitit on valmistettava tarkasti ja viritettävä yhdenmukaisiksi ja yhdistettävä fyysisesti toisiinsa. Käyttämällä mittaukseen perustuvaa optista kvanttitietokonetta nämä ongelmat ratkaistaan tavallaan automaattisesti. Optiset kvanttitietokoneet käyttävät valon aaltopaketeista toteutettuja kubitteja.

Ohjelmoitavuus optisessa järjestelmässä

Tärkeää on, että mittaukseen perustuva kvanttilaskenta tarjoaa ohjelmoitavuuden optisissa järjestelmissä. "Voimme muuttaa toimintaa vaihtamalla vain mittausta", Riken Sakaguchi sanoo. "Tämä on paljon helpompaa kuin laitteiston vaihtaminen, kuten porttijärjestelmät vaativat optisissa järjestelmissä."

"Mittauspohjaisessa kvanttilaskennassa myötäkytkentäisyyttä käytetään kompensoimaan kvanttimittausten luontaista satunnaisuutta. Ilman ”feedforward” operaatioita mittauspohjaisesta kvanttilaskennasta tulee todennäköisyyspohjaista, kun taas käytännön kvanttilaskennan tulee olla determinististä.

Riken Optical Quantum Computing -tutkimusryhmä ja heidän kansainväliset työtoverinsa ovat nyt osoittaneet tähän edistyneemmän syöttötavan: epälineaarisen myötäkytkentäisen tavan. Sellaista tarvitaan kaikkien mahdollisten porttien toteuttamiseksi optiikkaan perustuvissa kvanttitietokoneissa.

Epälineaarisen myötäkytkentätekniikan tärkeimmät edut ovat sen nopeus ja joustavuus. Prosessin on oltava riittävän nopea, jotta tulos voidaan synkronoida optisen kvanttitilan kanssa.

"Nyt kun olemme osoittaneet, että voimme suorittaa epälineaarista myötäkytkentää, haluamme soveltaa sitä varsinaiseen mittaukseen perustuvaan kvanttilaskentaan ja kvanttivirheen korjaukseen käyttämällä aiemmin kehitettyä järjestelmäämme", Sakaguchi sanoo. "Ja toivomme voivamme lisätä epälineaarisen myötäkytkentämme nopeutta optiseen kvanttilaskentaan."

"Mutta tärkein viesti on, että vaikka suprajohtaviin piiriin perustuvat lähestymistavat voivat olla suositumpia, optiset järjestelmät ovat lupaava ehdokas kvanttitietokonelaitteistolle", hän lisää.

Verkkorakentamisen perusteita kooten

Myös perinteisempää kvanttitietokonetekniikkaa voidaan ajatella skaalattavaksi verkottamalla.

Tällä hetkellä kvanttiverkot ovat kuitenkin vielä alkuvaiheissaan mutta tähän liittyen on QUANT-NET toteuttamassa 12,5 miljoonan dollarin viisivuotista T&K-aloitetta, jota tukee Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) Advanced Scientific Computing Research -ohjelma.

Projektin tavoitteena on rakentaa todiste periaatteellisesta kvanttiverkosta, joka on ajateltu hajautetuille kvanttilaskentasovelluksille.

Kvantti-internetti mahdollistaisi esimerkiksi kvanttisalattuja viestintäjärjestelmiä hallitukselle, rahoitukselle, terveydenhuollolle ja armeijalle mutta myös laajamittaisten, pilvipohjaisten kvanttilaskentaresurssien käyttöönoton, jotka on linkitetty turvallisesti maailmanlaajuisiin verkkoihin.

QUANT-NET-konsortion kuuluu neljä tutkimuskumppania - Berkeley Lab; University of California Berkeley; Caltech ja Innsbruckin yliopisto. Yhdessä he pyrkivät perustamaan kolmen solmun hajautetun kvanttilaskentaverkon kahden toimipisteen (Berkeley Labin ja UC Berkeleyn) välille.

Tällöin kukin kvanttisolmu liitetään kvanttilomittumista hyödyntävän viestintäjärjestelmän kautta esiasennetun tietoliikennekuidun kautta, ja kaikkea testialustan infrastruktuuria hallinnoi räätälöity ohjelmistopino.

Yksi QUANT-NET -tiimin tärkeimmistä tehtävistä on esitellä kentällä käyttöönotettavia teknologioita, jotka ajan myötä pystyvät toimimaan 24/7 ilman käyttäjän väliintuloa. Silloin voisi ajatella voitavan rakentaa myös hajautuksen kautta skaalautuvaa laskentakykyä.

Timantit luovat tarkkuutta kvanttiverkkoon

Argonne Labin, Chicagon ja Cambridgen yliopistojen tutkijoiden ryhmä kertoi äskettäin läpimurrosta kvanttiverkkosuunnittelussa: "venyttämällä" ohuita timanttikalvoja he loivat kvanttibittejä, jotka voivat toimia huomattavasti vähemmällä jäähdytyslaitteistolla ja kustannuksilla. Muutos tekee samalla biteistä myös helpompia hallita.

Uusi ratkaisu mahdollistaa myös kubittien ohjaamisen mikroaalloilla. Aiemmissa versioissa käytettiin optisen aallonpituuden valoa informaation syöttämiseen ja järjestelmän manipuloimiseen, mikä aiheutti kohinaa ja merkitsi, että luotettavuus ei ollut täydellinen. Uutta järjestelmää ja mikroaaltoja käyttäen tarkkuus nousi 99 prosenttiin.

"Pidennetyn koherenssiajan ja toteuttamiskelpoisen mikroaaltojen avulla tapahtuvan kvanttiohjauksen yhdistelmän ansiosta polku kehittää timanttipohjaisia laitteita kvanttiverkkoihin on auki tinavakanssikeskuksille", toteaa Mete Atature, Cambridgen yliopiston fysiikan professori ja tutkimuksen toinen kirjoittaja.

Tekninen tarkkuus paranee

Johtavien kubittikilpailijoiden joukossa loukkuun jääneet ionit erottuvat edukseen alhaisesta virhetoiminnasta johtuen.

Siten tekniset parannukset loukutettuihin ioneihin perustuvaan kvanttitietokoneeseen voisivat myös tuoda skaalautuvan version lähemmäksi todellisuutta.

Esimerkiksi Steven Moses ja kollegat Coloradon yliopistosta kehittelevät uusinta ioniloukkuista kvanttitietokonettaan, Quantinuum System Model H2:ta. Tutkijat ovat kyenneet lisäämään sen kubittien määrää 20:stä 32:een ilman, että virhesuhde kasvaa yhtään.

Luonnollisesti muidenkin kubittiratkaisujen tekijät kehittävät omaa tekniikkaansa vähemmän virheherkäksi.

Valtaosa kvanttilaskennan virheistä syntyy kvanttioperaatioiden ongelmista koska kvanttikubitti on äärimmäisen herkkä ohjattava. Esimerkiksi mikroaalloilla niitä ohjattaessa tarvitaan kymmenen fyysistä apukubittia varmistamaan että ohjaus meni oikein.

Eräässä uudessa lähestymistavassa kubitteja ohjataan yksittäisvuon kvanteilla eli pienimmällä suprajohtavassa rakenteessa luodulla magneettivuon yksiköllä. Tutkijoiden mukaa tätä kubitin ohjaustekniikkaa voitaisiin skaalata helpommin kuin mikroaalto-ohjausta, koska laitteisto kuluttaa paljon vähemmän virtaa, mikä vähentää tarvittavaa kryogeenistä jäähdytystehoa - mikä on suuri huolenaihe suuremmissa kvanttilaskentajärjestelmissä.

University of Wisconsin-Madisonin Robert McDermott ja jatko-opiskelija Chuan-Hong Liu ja heidän kollegansa ovat vieneet tätä jo pitkään kehittämäänsä tekniikkaa eteenpäin ja saavuttaneet yli 99 prosentin tarkkuuden asettamalla vuokvantin muodostavan laitteen sirulle, joka on fyysisesti erotettu kubittitoimintoja tukevasta piiristä.

Uusia kubitti- ja koodiratkaisuja

Teknisten parannusten lisäksi etsitään uusia kubittiratkaisuja, jotka nimenomaan olisivat vähemmän vikaherkkiä.

Esimerkiksi Harvard Quantum Initiativen Mikhail Lukinin johtama tiimi on luonut rubidiumatomeihin perustuvan ohjelmoitavan loogisen kvanttiprosessorin, joka ensimmäisenä pystyy koodaamaan ennätysmäiset 48 loogista kubittia ja suorittamaan satoja loogisia porttitoimintoja.

Läpimurto perustuu useiden vuosien työhön neutraalina atomimatriisina tunnetun kvanttilaskenta-arkkitehtuurin parissa. Aiemmin ryhmä on osoittanut näiden parissa alhaisia 0,5:n virheprosentteja lomittumisoperaatioissaan, mikä osoitti neutraalien atomien ryhmäjärjestelmän luotettavuuden.

Viime aikoina myös kooditasolla on saavutettu ratkaisuja joilla virhesuhdetta voidaan parantaa.

Perinteisen redundanttisen kvanttivirheen korjauskoodit (QECC) ovat yksi avainkomponentti kvanttilaskennan potentiaalin toteuttamisessa. Ne mahdollistavat virhesuhteiden vähentämisen jakamalla kvanttiloogista informaatiota redundanttien fyysisten kubittien kesken siten, että virheet voidaan havaita ja korjata.

Myös tällä tasolla tehdään kehitystyötä koko ajan. Tel Aviv yliopiston tutkijat ovat ratkoneet ongelmaa ennakoimalla järjestelmän kohinaa jota sitten iteratiivisesti syvän neuroverkon kautta tarkennetaan ja näin voidaan sitten loogisia virhesuhteita optimoida.

Kunnianhimoisimmat kvanttitietokoneiden parissa toimivat kehittäjät hakevat ratkaisua puolestaan topologisista kubiteista, joilla voitaisiin toteuttaa vikasietoinen kvanttilaskenta.

Tammikuu 2024