Veijo Hänninen
Kvanttitietotekniikan vaihtoehdot
Kvanttitietokoneen toteuttamista on odoteltu jo pitkään. Erilaisia kvanttitietotekniikan vaatimia osasia on kokeiltu kvanttimaisia määriä ja toivoa sopii, että joku tai jotkut niistä romahtavat reaalisiksi toimintatavoiksi.
Alan kaupallisena pioneerina toimiva D-Wave ajaa kvanttilaskelmia jo tuhannella kubitilla mutta toisaalla jo kahdellakin kubitilla on tehty kvanttimekaanisia laskelmia.
Kvanttitietokoneen kubitti voi sisältää joko ykkösen, nollan tai tyypillisesti, ykkösen ja nollan superposition, jolloin kummankin toteutumiselle on oma todennäköisyytensä.
Kun käytettävissä on riittävästi kubitteja, niiden mahdolliset tilat mahdollistavat kvanttilaskimen suorittaa vastaavan määrän laskutoimituksia tavallaan rinnakkaisesti. Näin teoriassa mutta käytäntö on vähän haastavampi.
Kvanttitietokoneen Akilleen kantapää on dekoherenssi eli järjestelmä tavallaan lomittuu ympäristönsä kanssa. Kun superpositiot romahtavat klassisiksi tiloiksi, kvantti-ilmiöt häviävät. Kaiken lisäksi tämä vaikutus kasvaa eksponentiaalisesti järjestelmän koon kasvaessa ja ajan suhteen.
Joten järjestelmä tarvitsee virheenkorjausta. Kvanttilaskennassa sitä voidaan toteuttaa lomittumisen avulla mutta esimerkiksi Shorin tähän tarpeeseen aikoinaan kehittämässä menetelmässä siihen tarvitaan yhdeksän kvanttibittiä. Eli järjestelmä sen kun kasvaa ja altistuu yhä vahvemmin dekoherenssille.
Kubittien hallinta
Kvanttijärjestelmien fyysisinä kubitteina on kokeiltu muun muassa atomeja, elektroneja ja niiden spinejä sekä ioneja ja suprajohtavuuteen liittyviä ilmiöitä.
Näitä kvanttitason ilmiöitä on hankala hallita sillä kvanttimaailman ilmiöinä ne ovat helposti häiriintyviä mutta toisaalta niitä pitäisi pystyä myös manipuloimaan jollain tavoin.
Fyysisiä kubitteja on luotu muun muassa ioniansoissa, joissa käytetään optisia tai magneettikenttiä tai molempien yhdistelmiä ansoittamaan ioneja. Optisissa ansoissa käytetään valonsäteitä ansoittamaan ja hallitsemaan hiukkasia esimerkiksi timanttien vikakohdissa. Lisäksi on kehitetty erilaisia resonaattoreita ja jopa kvanttiteknisiä taajuuskampoja, joilla voi tuottaa monifotonisia lomittuneita kvanttibittien tiloja.
Uusimpina konsteina kokeillaan esimerkiksi Majorana-fermioneja, joita voinee käyttää topologisina kubitteina, joita ei vaivaisi nykykubitteja vaivaavat epämääräisyydet.
Kätevämpiä ohjaustapoja
Myös kubittien ohjaustavoissa on tapahtunut kehitystä. Aiemmin esimerkiksi ioneja hallittiin monimutkaisilla laservirityksillä. Mutta esimerkiksi MIT:n tutkijat ovat ansoittaneet ioneja jo ihan sähköisillä ohjauksilla. Tämä mahdollistaa vastaavien toimintojen siirtämisen mikropiirien tasolle.
Uusimpia tieteellisiä saavutuksia on elektronin ja fotonin vuorovaikutus. Tällaiset rakenteet voivat hyödyntää vahvuuksia, joita fotonit ja elektronit tarjoavat kubitteina. Tulevaisuudessa esimerkiksi elektroneja voidaan käyttää tallentamaan ja käsittelemään kvantti-informaatiota yhdessä paikassa, kun taas fotonit voisivat kuljettaa tätä informaatiota verkon tai piirin eri osien välillä.
Kaiken kaikkiaan tutkijoiden olisi löydettävä järjestelmä, joka pysyy vakaana tarpeeksi kauan, jotta laskelmia voi tehdä. Vaikka tämä tapahtuisi vain sekunnin tuhannesosassa, hiukkaset ovat niin pieniä, että niihin helposti vaikuttaa ympäristö. Jos hiukkanen hiukkaakaan häiriintyy se pilaa koko laskennan.
Pii houkuttelee tälläkin saralla
Pii ja sen tuttuus olisi merkittävä etu myös kvanttitietokoneen toteutuksessa. Vuonna 2013 fyysikot käyttivät piillä olevaa fosforiatomia ja saivat kvanttitilan säilymään siinä 39 minuutin ajan.
Vuonna 2014 eräs tiedemiesryhmä generoi ja manipuloi yksittäisiä valopartikkeleita piisirulla. Kun aiemmat yritykset edellyttivät ulkoisia valonlähteitä fotonien tuottamiseksi, tälle sirulle on integroitu osia, jotka voivat tuottaa ja siirtää fotoneja mikrosirun sisällä.
Ryhmään kuului tutkijoita Toshibalta, Stanford Universitystä, University of Glasgowista ja TU Delftistä. Mikropiirin valmisti Toshiba omilla vakiintuneilla valmistustekniikoillaan.
Samana vuonna australialaisen New South Wales yliopiston (UNSW) tutkijat saivat piillä toimivan kvanttidataprosessin toimimaan 99 prosenttisella tarkkuudella.
Toinen UNSW:n ryhmä onnistui luomaan keinotekoisen atomin kubitin, jolla on vahvasti samantapaisia ominaisuuksia kuin piitransistorilla. Modifioituun CMOS-transistoriin perustuen he osoittivat, että kvanttiversio tietokonekoodista voidaan kirjoittaa ja käsitellä käyttäen kahta kvanttibittiä piiperustaisella mikrosirulla.
Vuonna 2015 UNSW:n johtama tukijaryhmä saavutti edelleen kvantti-informaation koodausta piillä käyttäen yksinkertaisia sähköisiä pulsseja.
Puolta vuotta myöhemmin UNSW:n tiedemiehet esittivät suunnitelman kolmiulotteisesta piisiruarkkitehtuurista, jonka avulla voisi toteuttaa suuren mittakaavan kvanttitietokoneen. Tekniikka perustuisi yksittäisen atomin kvanttibitteihin, jotka ovat yhteensopivia atomitason valmistustekniikoiden kanssa piihin tukeutuen.
Saavutukset hälventävät epäilyksiä, että kvanttioperaatioita voidaan tehdä piillä, mikä mahdollistanee riittävän tehokkaan kvanttitietokoneen voivan olla todellisuutta.
Ilman fyysisiä kvanttibittejä
Lähellä absoluuttista nollapistettä mikroaallot muodostavat ainutlaatuisia, toisistaan riippuvia ja hallittavissa olevia tiloja.
Aalto-yliopiston tutkijat osoittivat, että mikroaaltosignaalit soveltuvat informaation koodaamiseen tavalla, jota olisi mahdollista hyödyntää kvanttilaskennassa.
Tutkijat käyttivät SQUID-laitteisiin perustuvaa mikroaaltoresonaattoria. Se jäähdytettiin niin lähelle absoluuttista nollapistettä että kaikki lämpöliike lakkaa.
– Tulokset viittaavat siihen, että eri taajuuksia voitaisiin käyttää hyväksi kvanttilaskennassa. Eritaajuiset fotonit ovat verrattavissa perinteisten tietokoneiden rekistereihin ja niiden välillä voidaan suorittaa loogisia porttitoimintoja, sanoo tutkimukseen osallistunut Sorin Paraoanu.
Tulokset tarjoavat uudenlaisen lähestymistavan kvanttilaskentaan. Hyödyntämällä monitaajuisia mikroaaltosignaaleja voidaan tavoitella vaihtoehtoista lähestymistapaa, jossa loogiset portit toteutetaan kvanttimittaussarjojen avulla.
Näin ollen, käyttämällä resonaattorin synnyttämiä fotoneita, varsinaisia fyysisiä kvanttibittejä ei enää tarvita, sanoo professori Pertti Hakonen Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriosta.
Kvantti-ilmiöitä kokeilemaan
Bristolin yliopiston ja Nippon Telegraph and Telephonen (NTT) tutkijat ovat tuottaneet prosessorin ominaisuudet kvanttimaailmaan, kehittämällä optisen sirun, joka voi käsitellä fotoneja lukemattomilla eri tavoilla.
Täysin uudelleen ohjelmoitava siru mahdollistaa lukuisia nykyisiä kvanttikokeiluja ja voi toteuttaa tulevia protokollia, joita ei edes ole vielä suunniteltu.
Bristolin yliopisto pitää yllä myös "Quantum in the Cloud" -palvelua, joka tuo kvanttiprosessorin julkisesti saataville ja yliopisto aikoo sijoittaa siihen lisää tämän kaltaisia piirejä, jotta aiheesta kiinnostuneet voivat löytää kvanttimaailman.
Quantum Cloudin tavoitteena on tarjota resursseja kvanttiteknologioista kiinnostuneille. Erityisesti niille, jotka haluavat saada hieman käytännön kokemusta käsitellä ja manipuloida informaatiota kvanttitietokoneita käyttäen. Tutkijat toivovat, että näiden resurssien avulla ilmiöt kuten superpositio ja lomittuminen tulevat todellisiksi ja konkreettisiksi.
Kvanttilaskelmia kahdella kubitilla
Keväällä 2016 Bristolin yliopiston ja University of Western Australian tutkijat onnistuivat yksinkertaisella mutta konfiguroitavalla kahden kubitin fotonisella kvantti-prosessorilla ylittämään klassisen tietokoneen kyvyn tietyillä pitkälle erikoistuneiden ongelmien parissa.
Tutkijoiden toteuttama ajo liittyi ns. kvanttikävelyn fysiikkaan. Kyseessä on kvanttimekaniikan versio Brownin liikkeestä liuoksessa tai "juopuneen merimiehen kävelystä" kaikkiin mahdolliset suuntiin siirtyessä paikasta A paikkaan B.
Näin tämä yksinkertainen kvanttiprosessori pääsi loistamaan satunnaisuuden laskennassa. Lisäksi saavutus auttaa suunnittelemaan uusia kvanttialgoritmeja ja ehkä valottaa, sitä miten rakentaa suurempia kvanttitietokoneita.
Esimerkiksi lupaava tapa kiertää skaalausongelma on miettiä uudelleen koko ongelmaa – suurien kokonaisuuksien rakentamisen sijaan ratkaisu voi olla yksinkertaisesti kytkeä yhteen suuri joukko pienempiä kvanttiprosessoreita, jotka silti säilyttävät vaaditun kvantti-ilmiön. Tällöin jopa pienienkin kubittimäärien koneet voiva olla hyödyllisiä.
Kohti käytäntöä
Tällä hetkellä käytännöllisintä kvanttitietotekniikkaa edustaa D-Waven adiabaattinen (AQC) toimintatapa. Se on tietyllä tavalla spesifinen kuin enemmän nykyistä tietotekniikkaa muistuttavaa, yleiskäyttöistä kvanttitietotekniikkaa tavoitteleva tutkimustyö.
Yleiskäyttöisyys perustuisi loogisiin operaatioihin kun taas adiabaattisessa järjestelmässä hyödynnetään perustilan ominaisuuksia. Esimerkiksi D-Wave:n kvanttijärjestelmä ajaa kvantti hehkutusalgoritmia löytääkseen alimman pisteen virtuaalisessa energiamaisemassa. Alin tai alimmat pisteet maisemassa vastaavat optimaalisia tai lähes optimaalisia ratkaisuja ongelmaan.
Kohutuin kvanttitietokoneen saavutus olisi lukujen alkutekijöihin purkaminen eli nykyisten salausmenetelmien purku mutta monet asiantuntijat pitävät kvanttilaskennan suurimpana lupauksena erilaisten kvantti-ilmiöiden simulointia. Sellaisilla olisi todellista merkitystä erilaisten nanomateriaalien, uusien lääkkeiden ja suprajohteiden kehittämisessä.
Erilaisten simulaattoreiden toteuttaminenkin olisi helpompaa kuin todella yleiskäyttöisen kvanttitietokoneen rakentaminen. Simulaattori voisi perustua digitaalisiin piireihin ja käyttää tietyllä tavalla järjestettyjä kubitteja ongelman ratkaisuun. Näin se muistuttaisi nykytekniikasta tuttua ASIC-piiriä.
Loppuvuodesta 2015 kansainvälinen tutkijaryhmä kertoi toteuttaneensa fermionisien mallien digitaalisen kvanttisimuloinnin suprajohtavissa piireissä.
Kyseisen kvanttialgoritmin ajolla saavutetaan suprajohtavien piirien elektronisien mallien kvanttisimulointi. Simulaattori toteutettiin yli 300 kvanttilogiikkaportilla neljässä suprajohtavassa kvanttibitissä.
Eräs kehitysvaihtoehto on myös perinteisen tietokoneen ja kvanttikoneen hybridi.
Osta kvanttitietokone
Kanadalainen D-Wave perustettiin 1999 ja ensimmäisen kaupallisen kvanttikoneen se julkaisi 2010 (128 qubit). Siten yhtiötä voidaan pitää kvanttitietokoneen kaupallistamisen pioneerina vaikkakaan sen laitteisto ei ole yleiskäyttöinen.
Sen jälkeen kubittimäärä on tuplaantunut. Vuonna 2013 julkaistiin 512 ja 2015 yli 1000 kubittinen D-Wave 2X -järjestelmä. Vuonna 2017 tuodaan markkinoille 2000 kubittinen laitteisto.
D-Waven kvanttiprosessori on rakennettu niobisilmukoiden ristikosta, joista kukin on yksi kvanttibitti. Kun niobia jäähdytetään alle 9,2 Kelviniin siitä tulee suprajohde ja siinä alkaa esiintyä kvanttimekaanisia ilmiöitä.
Kierrättämällä virtaa joko myötä- tai vastapäivään, suprajohtava kubitti emittoi magneettikentän, joka osoittaa alas- tai ylöspäin, koodaten loogisen 1 tai 0. Kvanttihehkutuksen aikana, sähkövirta kulkee myötäpäivään ja vastapäivään samanaikaisesti. Tämä mahdollistaa kubittien olevan superposition tilassa. Kvanttihehkutussyklin lopussa kubitti "romahtaa" yhdeksi kahdesta tilasta, joko 0 tai 1. Kun laskenta on päättynyt ja kubitit asettuneet lopulliseen klassiseen tilaan, arvot ovat kubittien hallussa ja ne palautetaan käyttäjälle nollien ja ykkösten bittijonona.
Jotta voi siirtyä yhden kubitin laitteesta monen kubitin prosessoriksi, kubitit on kytkettävä yhteen tietojen vaihtamiseksi. Tämä saavutetaan koplereilla, jotka on myös tehty suprajohtavista silmukoista. Useita kubitteja, yhdistimiä ja magneettikenttien ohjauspiirejä yhteen pistämällä luodaan ohjelmoitavan kvanttilaitteen kudos.
D-Wave 2X järjestelmä perustuu yli 1000 kubittiin ja yli 3000 yhdistimeen ja yli 128000 Josephson-liitokseen. Valmistaja uskoo kokonaisuuden olevan kaikkein monimutkaisin suprajohteinen mikropiiri mitä koskaan on rakennettu.
Laitteiston ydin on lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytetty prosessori. Jäähdytyksissä yhtiö hyödyntää Helsingin teknillisen yliopiston suojista syntyneen BlueFors Gryogenicsin laitteita. Muutenkin mekaaninen sähköinen häiriösuojaus on ihan omaa luokkaansa kaikenlaisen ympäristöhäiriöiden pois pitämiseksi.
D-Wave 2X Systemiä voi ohjelmoida sen oman rajapinnan kautta monilla tutuilla ohjelmointikielillä. Syötteestä arvot, jotka vastaavat kubittien "painoja" ja niiden välisien vuorovaikutuksien yhdistimien "vahvuuksia" siirretään järjestelmään, joka sitten suorittaa yhden Quantum Machine Instruction (QMI) prosessoinnin.
Ratkaisut ovat arvoja, jotka vastaavat löydettyjen kubittien optimaalista kokoonpanoa tai alimpia pisteitä energiamaisemassa. Nämä arvot palautetaan käyttäjäohjelmaan.
Koska kvanttitietokone on todennäköisyyksiin tukeutuvampi kuin deterministinen, palautteena voi olla useita arvoja. Niissä voi olla paitsi paras löytynyt ratkaisu, mutta myös muita erittäin hyviä vaihtoehtoja, joista valita.
Ongelmien ratkaisemiseksi D-Waven prosessori käyttää hehkutukseksi nimettyä menetelmää. Alkuperältään siinä on kyse metallin kuumaksi hehkuttamisesta ja sitten sen hitaasta jäähdyttämisestä. Prosessi toimii koska lämpö satunnaisesti värisyttää ympärillä olevia atomeja ja jäähtyessään atomit asettuvat alhaisimman energian ja siksi vakaimpaan kokoonpanoon.
Kuditteja ja kurveja
Kvanttitietokoneen toiminta edellyttää paitsi kubittien tilan säilyttämistä myös niiden vuorovaikutusta toistensa kanssa. Järjestelmässä, jossa on kymmeniä tai satoja kvanttibittejä tehtävä onkin haasteellinen.
Eräät tutkijat ovat etsineet vaihtoehtoja kubiteille. Esimerkiksi Moskovassa MIPT:n ja Russian Quantum Centerin fyysikot alkoivat tutkia ongelmaa toisesta suunnasta. Sen sijaan, että yrittää ylläpitää suuren kubittijärjestelmän vakautta, he yrittävät lisätä laskelmissa tarvittavia ulottuvuuksia. He tutkivat mahdollisuutta käyttää laskelmissa kuditteja (qudits) kubittien (qubit) sijaan.
Kuditit ovat kvanttiobjekteja, joilla on enemmän kuin kaksi mahdolliset tilaa. Siten on kolme tilan qutrits ja kuvassa esiintyvä neljän tilan ququarts, jne. Kuditit, jolla on neljä tai viisi tasoa pystyy toimimaan kuin kahden "tavallisen" kubitin järjestelmänä, ja kahdeksan tasoa riittää jäljittelemään kolmen kubitin järjestelmää.
Venäläistutkijat osoittivat, että yhdellä viisitasoisella quditillä, joka on luotu käyttäen keinotekoista atomia, on mahdollista suorittaa täydellisiä kvanttilaskennan toimituksia.
Myös se, että voitaisiin ylittää kvanttimaailman ja klassisen maailman välinen raja auttaisi kvanttitietokoneen toteuttamista.
Okinawa Institute of Science and Technology Graduate Universityn (OIST) tutkijat lähtivät etsimään tätä rajaa ja osoittivat, että se mitä ajateltiin olevan kvantti-ilmiö, voidaan selittää klassisesti.
He tutkivat valon ja aineen vuorovaikutusta elektroniryhmän ja mikroaaltojen välillä. Kuvan kaarevat linjat edustavat havaittuja muutoksia sähkömagneettisessa mikroaaltotehossa (vasemmalla) ja elektronien aktiivisuudessa (oikea). Jos niihin ei olisi syntynyt vaikutusta, linjat olisivat suoria.
Kyseessä on merkki vahvasta kytkennästä, joka tutkijoiden mukaan voitaisiin luokitella klassisesti, kvanttimaailman sijaan.
"Vaikka vahva kytkentä itsessään on klassinen sen voi tuoda kvanttiolosuhteisiin käyttämällä epälineaarisuutta kubittina. Jos käytössäsi on vahva kytkentä voit vaihtaa kvantti-informaatiota kubittien, valon ja hiukkasten välillä, jotka voivat toimia kvanttimuisteina", toteaa OIST:n Denis Konstantinov.
Mekaniikkaa ja lämmönsiirtoa
Alkuvuodesta 2013 Aalto-yliopiston tutkijat kertoivat yhdistäneensä suprajohtavan kvanttibitin mikrometriluokan värähtelijään ja takaisin. Näin kubitin tila pystytään tallettamaan värähdysliikkeeksi, jossa tila säilyy paljon pidempään kuin kubitissa.
Yalen yliopiston tutkijat ovat puolestaan kehittäneet korkeataajuisen akustisen resonaattorin, joka luo vahvan kytkennän suprajohtavan mikroaalto-ontelon ja massa-akustisen resonaattorijärjestelmän välille.
Aalto-yliopiston Mikko Möttösen johtama tutkijaryhmä on puolestaan onnistunut siirtämään kvanttirajoittunutta lämpöä pidemmälle kuin kukaan koskaan aikaisemmin.
Löytö voi auttaa myös kvanttitietokoneiden kehitystä. Kvanttitietokoneen tehokas toiminta edellyttää, että sitä voidaan viilentää tehokkaasti. Samaan aikaan kone on hyvin herkkä ulkoisille häiriöille. Möttösen innovaatio auttaa viilentämään kvanttitietokonetta tehokkaasti, mutta niin ovelasti, että se ei häiritse koneen muuta toimintaa.
Ensimmäinen tärkeä oivallus tutkimuksen onnistumiseksi oli käyttää lämmön kuljettamiseen fotoneita. - Tiedämme, että fotonit voivat kuljettaa lämpöä pitkiä matkoja. Tuovathan ne auringon lämmönkin maan pinnalle, kertoo Möttönen. Nyt fotonien kuljettamiseen keksittiin käyttää suprajohtavaa linjaa.
Lokakuu 2016