Veijo Hänninen

Kohti miljoonaa kubittia

Kvanttitietokoneen ajatellaan olevan joskus yhtä yleiskäyttöinen kuin nykyiset tietokoneet mutta sellainen vaatii kyllä reilusti enemmän kubitteja kuin nykyään on tarjolla.

Nykyisillä kvanttiprosessoreilla on tehty yksittäisiä kvanttivoiman osoituksia ja parhaillaan niitä yritetään hyödyntää monenlaisissa Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) -ratkaisuissa niin hyvin kuin mahdollista.

Mutta perimmäinen tavoite on yleiskäyttöinen kvanttitietokone ja Kalifornian Palo Altossa päämajaansa pitävä PsiQuantum on tähdännyt heti alusta alkaen rakentamaan ensimmäistä hyödyllistä kvanttitietokonetta. Yhtiön mukaan sellaiseen tarvitaan yli miljoona kubittia, jossa on virheenkorjaus ja vikojen sieto ja se toimii fotoneilla sekä piiteknologiaa hyödyntäen.

Yhtiö uskoo tähän päästävän fotonisella tekniikalla, joka tarjoaa teknisiä etuja virheenkorjaukseen tavoitellussa mittakaavassa. Jotta miljoonien kubittien saavuttaminen olisi mahdollista käytännöllisessä aikataulussa, on hyödynnettävä myös nykyisiä kehittyneitä puolijohteiden valmistustekniikoita.

Perustana piiteknologia

Aikeessa ollaan jo niin pitkällä että PsiQuantum tekee yhteistyötä puolijohdevalmistaja Globalfoundriesin (GF) kanssa. Yhtiöt ovat jo tuottaneet muutamia aiheen vaatimia ydinkomponentteja GF:n standarditekniikoilla.

Lisäksi on ryhdytty valmistuslaitteiden investointeihin, joilla on tarkoitus tuottaa aikanaan tuhansia Q1-piifotonisiruja ja elektronisia ohjauspiirejä.

Q1-järjestelmä edustaa järjestelmän ensimmäistä virstanpylvästä yhtiön tavoitteissa. Se on suunniteltu auttamaan yhtiön tutkijoita ja insinöörejä parantamaan ja validoimaan valitsemaansa tuotantotapaa. Sinänsä sillä ei ole tarkoitus saavuttaa minkäänlaista kvanttietua.

Q1:n tarkoitus olla enemmän kuin kvanttifotonisiru, jossa on korkean suorituskyvyn komponentteja: siinä on integroituna ohjauselektroniikkaa, optisen I/O:n, koteloinnin ja fotonista sirua ympäröivän koosteen uudet kehityssuunnat. Kun tavoitteena on miljoona kubittia, skaalautuvan valmistuksen mahdollistavat tekniikat ovat yhtä kriittisiä kuin yksittäisten kubittien hyvät porttitarkkuudet.

PsiQuantumin tekniikka perustuu fuusiopohjaisen kvanttilaskennan (FBQC) - yleisen malliin. Se voi tarjota merkittäviä arkkitehtonisia yksinkertaistuksia, mikä mahdollistaa monista identtisistä moduuleista koostuvan laitteiston.

Käytännön rajoja

PsiQuantumin sivuilla aiheeseen voi tutustua heidän historiaan liittyvien tiedeartikkeleiden kautta mutta myös erilaisten oheisartikkeleiden kautta.

Eräässä niissä kysytään millainen miljoonan kubitin kvanttitietokone olisi? "Se tulee näyttämään suurelta betonirakennukselta, jossa on koko joukko moduuleja", tiedejohtaja Pete Shadbolt kertoi keväällä 2022 IT-alan julkaisulle The Registerille. "Niiden moduulien sisällä on joukko piisiruja, puoliksi fotonisia, puoliksi elektronisia ja kokonaisuus on kytketty yhteen samalla optisella kuidulla, jonka löydät tänään (verkoista)."

Kvanttitietotekniikan parissa yksi ajankohtainen aihe on sen ja klassisen supertietotekniikan yhdistäminen hybridiksi teholaskennaksi.

Aiheesta uutisoivan HPCwire/QCwire -sivuston syyskuun artikkelissa Peter Shadbolt tarjoaa vivahteikkaan näkemyksen hybridiklassisesta kvanttilaskennasta.

Hän totesi: Odotamme, että useimmat kvanttilaskennan mahdollistamat päästä päähän sovellukset ovat riippuvaisia sekä klassisen että kvanttilaskennan sekoituksesta arvokkaiden vastausten tuottamiseksi. On kuitenkin olemassa kaksi laajalti vallitsevaa väärinkäsitystä.

Ensimmäinen on se, että tämä sekavastuu "laskee rimaa" kvanttitietokoneen suorituskyvylle ja luo mahdollisuuksia todelliselle hyödylle käyttämällä hyvin pieniä tai heikkoja kvanttitietokoneita. Tämä ei pidä paikkaansa. Sikäli kuin ymmärrämme, tarvitset tehokkaan, virhekorjatun kvanttitietokoneen, ennen kuin voit alkaa puhua vakavasti kvanttieduista – olipa integraatiosi tavanomaiseen laitteistoon kuinka hyvä tahansa.

Toiseksi usein ajatellaan, että kvanttitietokoneen on oltava erittäin tiukasti integroituna sitä tukevaan tavanomaiseen laitteistoon – laajakaistaverkkoihin, yhteiskäyttöön jne. Kun mietitään, että "maailmaa muuttava", miljoonan fyysisen kubitin kvanttitietokone tukee vain satoja loogisia kubitteja, miljardeja portteja ja sen yhden tuoton ajoaika on paljon (paljon!) pidempi kuin sekunti. Tällaisesta järjestelmästä tulevan käyttäjän datan kaistanleveys on pieni – kilotavuja sekunnissa.

Kubittien tarpeesta

SPIE- organisaation SPIE Advanced Lithography and Patterning 2022 tilaisuudessa huhtikuussa 2022 esitelmöinyt PsiQuantumin Erik Holster totesi:

"Tarvitsemme satoja tai tuhansia käyttökelpoisia kubitteja, jotka pystyvät tekemään miljardeja peräkkäisiä toimintoja toimiakseen todella hyödyllisesti", Hosler sanoi.

Laajemmin esitelmästä kirjoittanut Hank Hoganin artikkelissa todetaan edelleen, että: Nykyisten kubittien kohina tarkoittaa, että tarvitaan useita fyysisiä kubitteja yhden käyttökelpoisen kubitin muodostamiseksi. Nykyään suhde on noin 1000:1, Hoslerin mukaan. Tämä määrä vaihtelee fyysisten kubittien kohinatason mukaan.

Monien epätäydellisten kubittien tuoton syöttäminen virheenkorjausjärjestelmään tuottaa yhden loogisen kubitin, joka on riittävän kohinaton. Se voi sitten olla osa loogisten kubittien ryhmää, jonka avulla kvanttitietokone voi toimia tarpeeksi kauan tehdäkseen hyödyllistä laskentaa. Joten noin miljoona kubittia todella tarvitaan toteaa Holster.

Lisää kubitteja ja hybridiä

Myös IBM:llä on tähtäimessä miljoonan kubitin prosessori. Se perustuisi ensi vuonna julkaistavan 1121-kubittisen Condorin perustalle.

Tämänvuotisessa IBM Quantum Summitissa julkistettiin 433 kubitin IBM Quantum Osprey -kvanttiprosessori. Perustekniikaltaan se perustuu edeltäjäänsä 127 kubitin Eaglessä käyttöön otettuihin monitasoisen johdotuksen, joka tarjoaa joustavuutta signaalien reitittämiseen ja rakenneasetteluun, mutta uutta on integroitu suodatus kohinan vähentämiseksi ja vakauden parantamiseksi.

Myös IBM:n visio kvanttilaskennasta on kääntynyt vahvasti kohti hybridiklassis-kvanttivisiota. IBM kutsuu versiotaan Quantum-centric Supercomputing -konseptiksi, jonka se esitteli viime keväänä.

Tilaisuudessa esitettiin myös, että vuosi 2023 merkitsee suurta käännekohtaa kvanttilaskennassa, jolloin yhtiö alkaa toteuttaa kvanttikeskeistä superlaskentaa. Sen keskiössä on edistynyt väliohjelmisto, joka on suunniteltu maksimoimaan kvanttisovellusten suorituskykyä rinnakkaisissa, pilvipohjaisissa, kvantti- ja klassisissa laskentaresursseissa.

Tämä väliohjelmisto sisältää Circuit Knitting Toolboxin, jossa piirineulonnan tekniikka sisältää klassisen laskennan, joka ottaa osan kvanttipiirin laskentataakasta jolla ylittää sen, mitä voidaan saavuttaa jommallakummalla yksin. Työkalujen täysi julkaisu on suunniteltu vuodelle 2025.

Intelin transistorit ja kubitit

Transistori kehitettiin 75 vuotta sitten ja aiheen kunniaksi Intel julkisti IEDM 2022 -tapahtumassa tavoittelevansa biljoonan transistorin tekniikkaa vuonna 2030.

Mutta Intel näkee myös kvanttipuolen miljoonan kubitin tietokoneen olevan käytössä 10 - 15 vuoden kuluttua. Intelillä on tarjota tähän kisaan vahvaa puolijohdeosaamista ja yhteistyökumppaninsa QuTechin kanssa kehitetyt spin-kubitit.

Piin spin-kubittien suuri etu on, että ne voivat hyödyntää vuosikymmeniä jatkunutta teknologian kehitystä puolijohdeteollisuudessa. Apuna käytetään transistorimaisia kvanttipisterakenteita ja tekniikan toteuttamista on jo kokeiltu 300 millin kiekolla.

Kokeessa saavutettiin nanomittakaavan porttikuviot erinomaisella tuotolla. Samalla vakuututtiin siitä, että piin spin-kubiteilla on sopivuus teolliseen prosessiin, mikä korostaa mahdollisuuksia skaalata ja luoda vikasietoinen täysmittainen kvanttitietokone.

Lisäksi prosessointivaiheet ovat oletusarvoisesti integroitavissa minkä tahansa muun täydentävän metalli-oksidi puolijohdeteknologian kanssa, mikä avaa mahdollisuuden integroida klassisia piirejä kubitsirun oheen.

Muita tavoittelijoita

Myös Google AI:n tavoitteena on miljoonan kubitin ratkaisu. Yhtiö uskoo ratkaisevansa skaalaukseen liittyvän kvanttivirhekorjauksen ongelman tulevina vuosina. Tiekartta on, että alkuun Google yhdistää 1 000 kubittia yhdeksi vakaaksi loogiseksi kubitiksi, joka voi säilyttää koherenssin niin kauan kuin järjestelmässä on virtaa.

Jatkossa yhdistetään sitten näistä "ikuisista kubiteista", jotka pystyvät säilyttämään kvanttitilat pidempään kuin tällä hetkellä käytettävissä olevat sekunnin murto-osat, täysin toimivaksi virhekorjatuksi kvanttitietokoneeksi.

Muita julkisesti miljoonaa fyysistä kubittia tavoittelevia yrityksiä ovat muun muassa brittiläinen Universal Quantum ja israelilainen Quantum Source.

Universal Quantum perustaa tekniikkansa loukutettuihin ioneihin. Niitä voi liikutella vapaasti toisin kuin suprajohteisia kubitteja. Ionikubitteja ohjaillaan yleensä lasereilla mutta Universal Quantum on kehittämässä elektronista porttitekniikka, jossa ohjaukset tehdään piistä valmistettavista mikromoduuleissa klassisiin transistoreihin verrattavalla tavalla ja apuna käytetään globaaleja mikroaaltokenttiä. Näin miljoonan kubitin mittakaavassa ei tarvita lasereita.

Virheenkorjaus on ongelma, johon on puututtava ohjelmisto-, laitteisto- ja loppukäyttäjien tasolla. Innovate UK:n Industrial Strategy Challenge Fund -rahasto myönsi äskettäin yhtiölle 7,5 miljoonan punnan avustuksen, jotta yhtiö voisi rakentaa skaalautuvan kvanttitietokoneen, joka pystyy korjaamaan omia virheitä ja soveltaa sitä käytännön ongelmiin.

Quantum Sourcen visiona on mahdollistaa kvanttitietokoneiden skaalaaminen miljooniin kubitteihin läpimurroksi luokitellulla fotonitekniikalla. Yhtiö tunnettiin aiemmin nimellä Quantum Source Lab ja se sai kesällä 15 miljoonan dollarin käynnistysrahaston.

Miljoona fyysistä kubittia on vain välitavoite sekin, joka kuitenkin toteutuessaan osoittaa, joidenkin tekniikoiden olevan skaalattavissa.

Joulukuu 2022