Veijo Hänninen
Kvanttilaskennan keinot monipuolistuvat
Kvanttitietokoneen kehityksessä ollaan vaiheessa jossa nyt hankalasti ja epätarkasti toimiville ratkaisuille haetaan vähemmän häiriöherkkiä kubitteja.
Myös erilaiset kubittien väliset vuorovaikutustavat ovat kiivaan kehitystyön ytimessä. Myös uusia keinoja etsitään ja kehitellään jonkinlaisen käytännöllisemmän kvanttilaskennan toteuttamiseksi.
Laitteisto, joita käytetään kvanttibittien eli kubittien koodaamiseen nykyisissä kvanttitietokoneiden prototyypeissä, on altis kaikentyyppisille häiriöille, jotka nopeasti korruptoivat tallennetun informaation. Siksi näitä prototyyppejä kutsutaan kohiseviksi välitason kvanttitietokoneiksi tai (Noisy Intermediate Scale Quantum) NISQ-laskimiksi.
Kvanttitason ilmiöt ovat erityisen herkkiä ympäristön häiriöille ja siksi kvanttikoneet vaativat perinteisiä koneita perusteellisempaa virheenkorjausta.
Kvanttitietokoneen virheenkorjaus perustuu redundanssiin, aivan kuten tavanomaisessakin tietojenkäsittelyssä. Mutta kohinahäiriön takia kvanttitietokoneessa on koottava useista fyysisistä kubiteista yksi looginen kubitti, joka on sitten vähemmän altis virheille.
Tästä johtuvaa varmistuskubittien tuhottomasti kasvavan määrän ongelmaa pyritään lieventämään etsimällä entistä paremmin häiriöitä sietäviä kubittirakenteita. Tällä hetkellä etsintä painottuu topologisiin rakenteisiin ja Majorana fermioneihin.
Topologista suojausta
Topologisista rakenteista onkin tullut tämän hetken eturintama kvanttitietokoneen kehitystyössä. Topologisissa materiaaleissa aineen sisä- ja ulkotilan ominaisuudet ovat erilaiset.
Topologisten kvanttitietokoneiden tärkein etu on se, että ne sietävät virheitä paremmin. Näissä laitteissa kvantti-informaatio koodataan tilallisesti hyvin eroteltujen Majorana nollatilojen pariin.
Tällainen ei-paikallinen informaation tallennus on varsin vankka - useimmat virhemekanismit tuottavat vain paikallisia häiriöitä eivätkä ne siten voi vaikuttaa informaation ei-paikalliseen tallennukseen.
Tämän seurauksena topologiset kvanttitietokoneet ovat "topologisesti suojattuja", mikä tarkoittaa, että vain suuret häiriövaikutukset voivat aiheuttaa virheitä.
Tavoitteena Majorana
Majoranoja, joilla on luonnollinen immuniteetti virheille, voitaisiin käyttää ideaalisen kubitin toteuttamiseen topologiselle tietokoneelle ja tutkijoiden mukaan se voisi johtaa käytännöllisempään kvanttitietokoneeseen, koska sen virheensietomenettely vaatii vähemmän kubitteja virheenkorjausta varten.
Tällä hetkellä alan tiedemaailmassa etsitään parasta mahdollista Majorana-ilmiötä tuottavaa tekniikkaa.
Kesällä 2019 Princetonin yliopiston tutkijat kertoivat löytämistään vankoista Majoranan kvasipartikkelista ja lisäksi he osoittavat miten ne voidaan kytkeä päälle ja pois.
Tutkimuksessa yhdistettiin suprajohde ja topologinen eriste. Rakenne tekee Majoranan erityisen kestäviksi lämmön tai ulkoisen ympäristön värähtelyn aiheuttamille häiriöille. Lisäksi ryhmä osoitti keinon kytkeä Majoranan päälle tai pois päältä käyttämällä pieniä rakenteeseen integroituja magneetteja.
Tutkijoiden mukaan Majoranan kvasipartikkeli on varsin vankka, koska se esiintyy energioissa, jotka eroavat järjestelmässä mahdollisesti esiintyvistä muista kvartsipartikkeleista. Kestävyys johtuu myös siitä, että se muodostuu topologisessa reunatilassa, joka on luontaisesti vastustuskykyinen häiriöille.
Topologista suprajohdetta
Aalto-yliopiston tutkijat ennustivat topologisen suprajohteen olemassaolon jo vuonna 2015.
Topologiset suprajohteet eroavat tavallisista siinä, että niiden reunoilla kiertää jatkuvasti virtaa, jossa esiintyy Majoranan fermioneja
Vuonna 2018 he kertoivat saaneensa sellaisen myös aikaiseksi. Heidän luoma amorfinen topologinen suprajohde koostuu suprajohtavalle pinnalle satunnaisesti sirotelluista magneettisista atomeista. Satunnaisuudesta huolimatta systeemiin muodostuu kollektiivinen topologinen kvanttitila, jota ympäröi Majorana-reunatila.
Aiemmin topologiset materiaalit on pitänyt räätälöidä ja järjestää täydellisen säännöllisiksi hilarakenteiksi.
”Täysin epäsäännöllisten atomijärjestelmien hyödyntäminen topologisina suprajohteina vaikuttaa erittäin lupaavalta: niiden valmistaminen ja mahdollinen teollinen tuotanto olisi nykyisiä menetelmiä huomattavasti helpompaa, nopeampaa ja halvempaa”, kommentoi asiaa silloin Teemu Ojanen.
Amorfinen topologinen suprajohde koostuu suprajohtavalle pinnalle satunnaisesti sirotelluista magneettisista atomeista (punaiset nuolet). Satunnaisuudesta huolimatta systeemiin muodostuu kollektiivinen topologinen kvanttitila, jota ympäröi Majorana-reunatila (pikkukuva).
Kuva: Teemu Ojanen.
Vuorovaikutuksia samassa materiaalissa
Jotta informaatio siirtyisi kvanttilaskennassakin kubitit on saatava vuorovaikuttamaan keskenään.
Mahdollisuus aktivoida useita kvanttimekaanisia ominaisuuksia yhdellä ainoalla materiaalilla huoneenlämmössä, olisinkin mielenkiintoinen ominaisuus.
Elektronien vuorovaikutus kiderakenteen kanssa ohjaa sitä onko materiaali ferrosähköinen. Tällöin sen olemusta voidaan vaihtaa kahden sähköisen olemuksen, metallisen tai eristeen, välillä käyttämällä ulkoista sähkökenttää.
Wienin yliopistossa toiminut kansainvälinen tutkijaryhmä osoitti että useita kvanttivuorovaikutusta voi todellakin olla samassa aineessa ja että on mahdollista viritellä niiden välillä sähkökentän avulla.
Tutkittu materiaaliyhdiste Ag2BiO3 on poikkeuksellinen. Se koostuu raskaasta alkuaineesta vismutista, mikä mahdollistaa elektronin spinin vuorovaikutuksen oman liikkeensä kanssa (spin-orbit coupling) - ominaisuus, jolla ei ole analogiaa klassisessa fysiikassa.
Tieteellisesti tutkijat löysivätkin ensimmäisen todellisen tapauksen topologisesta kvanttimuutoksesta ferrosähköisestä eristeestä ei-ferrosähköiseen puolimetalliin.
Spin-orbit -kytkentä on olennaisen tärkeä, koska se voi tuottaa uuden aineiden kvanttitilojen muodostumisen ja se onkin yksi nykyfysiikan uusimmista tutkimusalueista.
Mahdollisten sovellusten kannalta on myös lupaavia mahdollisuuksia: kvanttivuorovaikutuksien hallinta todellisessa materiaalissa voisi mahdollistaa ultranopean ja pienitehoisen elektroniikan sekä kvanttitietokoneille laadullisen harppausten eteenpäin datan keruussa, prosessoinnissa ja vaihdossa.
Fotoni viestinviejinä
Fotonit eivät juuri ole vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa, mikä tekee niistä erinomaisen ehdokkaan kvantti-informaation tallentamiseen ja siirtämiseen. Sama ominaisuus tekee kuitenkin erityisen vaikeaksi manipuloida fotoneihin koodattuja informaatiota.
Esimerkiksi Wienin yliopiston ja Barcelonan Photonic Sciences -instituutin fyysikot ovat osoittaneet, että räätälöidyt grafeenirakenteet ja plasmonit mahdollistavat yksittäisten fotonien vuorovaikutuksen keskenään.
Princetonin yliopiston tutkijat kertoivat vuonna 2018 onnistuneensa yhdistämään piin kaksoiskvanttipisteessä olevan kubitin eli elektronin spinin suuntainformaation fotonin sähkökenttään.
Fotoni muistina
Hongkongin tiede- ja teknologiayliopiston (HKUST) ja Etelä-Kiinan normaalikorkeakoulun (SCNU) yhteinen tutkimusryhmä on saavuttanut uuden ennätyksen fotonisen kvanttimuistin käytännöllisyydessä.
Riittävän tehokkaiden kvanttimuistien toteutus on kuitenkin suuri haaste, koska se vaatii täydellisesti sovitetun fotoni-aine kvanttirajapinnan.
Yksittäisen fotonin energia on niin heikko, että se voi hävitä taustakohinaan. Tämä ongelma tukahdutti pitkään kvanttimuistin tehokkuutta alle 50 prosenttiin - käytännön sovellusten kannalta ratkaisevaa kynnysarvoa.
Nyt tutkimusryhmä on löytänyt keinon kasvattaa fotonisten kvanttimuistien tehokkuutta yli 85 prosenttiin ja toistotarkkuutta yli 99 prosenttiin.
Kvanttimuisti luotiin ansoittamalla rubidiumatomeja hiusmaiseen tilaan ja jäähdyttäen ne 0,00001 kelviniin laserien ja magneettikenttien avulla. Samalla löydettiin myös älykäs tapa erottaa yksittäinen fotoni kohinaisesta taustasta.
Tulos toi unelman "universaalisesta" kvanttitietokoneesta askeleen lähemmäksi todellisuutta. Tällaisia kvanttimuisteja voidaan käyttää myös toistimina kvanttiverkossa, mikä luo perustan uuden sukupolven kvanttipohjaiselle internetille.
Integroitu kvanttipiiri piillä mahdollinen
Vuonna 2018 Australialaisen UNSW Sydney -yliopiston tutkijat onnistuivat yhdistämään kaksi keskeistä kvanttitekniikkaa integroidussa piirissä ensimmäistä kertaa, vahvistaen siten tavoitettaan piin käyttämisestä kvanttilaskennan perustana.
He ovat demonstroivat piille integroitua kubittien alustaa, joka yhdistää sekä yhden spinin osoitettavuuden - kyky kirjoittaa informaatiota yhdelle spin kubitille häiritsemättä naapureitaan - että kubitin luennan prosessin, joka on elintärkeä kvanttivirheen korjaamiseksi.
Tammikuussa 2019 UNSW:n tutkijat kertoivat, että heidän yhden atomin teknologian avulla voidaan rakentaa kolmiulotteisia piikvanttisiruja, joissa on täsmällinen välikerroksen linjaus ja spin-tilojen erittäin tarkka mittaus.
Täten he voivat laajentaa atomikubitin valmistustekniikkaansa useisiin piikiteen kerroksiin - saavuttaa kriittinen komponentti 3D-siruarkkitehtuurille, jollaista he esittivät jo vuonna 2015.
3D-arkkitehtuuria pidetään suurena askeleena suunnitelmassa kehittää ja rakentaa suuren mittakaavan kvanttitietokone.
Atomista täsmällisyyttä
Mutta näyttää siltä, että nykyisilläkin tekniikoilla saadaan aikaan ainakin simulaatiotarkoituksiin sopivia koneita.
Esimerkiksi ansoitettuihin ioneihin eli atomeihin perustuva kvanttikoneratkaisu on yllättäen noussut otsikoihin. Viime talven ja kevään aikana kyseiseen tekniikkaan luottava IonQ julkaisi vakuuttavia vertailuarvoja kvanttilaskentansa suorituskyvylle.
Esimerkiksi helmikuussa se julkaisi maailman ensimmäisen vesimolekyylin kvanttitietokonesimulaation.
Erityisesti he ovat vakuuttuneita, että heidän ratkaisussa ei enää tarvitse kuluttaa aikaa fysiikan parissa vaan voidaan keskittyä laajentamaan prosessointitehoa.
Yhtiön mukaan kahden reaalimaailman testin tulokset osoittavat, että heidän kvanttitietokone pystyy ratkaisemaan huomattavasti monimutkaisempia ongelmia suuremmalla tarkkuudella kuin millään muulla kvanttitietokoneella julkaistut tulokset.
Vertailuarvoja haettiin käyttäen Bernstein-Vazirani - ja Hidden Shift -algoritmeja, jotka kumpikin pyytävät tietokonetta löytämään piilotetun numeron mahdollisista numeroista. Jokaiselle algoritmille IonQ on ratkaissut kaikki mahdolliset 1024 piilotettua numeroa 11-bittisellä kokoonpanollaan, mikä on vaikeampi tehtävä kuin aiemmin on yritetty kvanttitietokoneella.
Kokeessaan Bernstein-Vazirani -algoritmilla IonQ:n tietokone pantiin ratkomaan kutakin 1024 variaatiota 500 kertaa. Niistä se tunnisti oikean vastauksen yhdellä yrityksestä 78 % ajoista. Vaikeampaan Hidden Shift -algoritmiin kone löysi oikean vastauksen yhdellä yrityksellä 35 %:lla kokeista. Tämä oli odotettu tulos koska kyseinen algoritmi vaatisi 35 - 50 kvanttilogiikkaportin kapasiteetin.
Vertailun vuoksi, tavanomaiset tietokoneet saavat oikean vastauksen Bernstein-Vazirani- ja Hidden Shift -ongelmiin vain 0,1 % ajasta yhdellä yrityksellä.
He ovat myös luoneet 79 kubittisen laitteen ja pystyneet osoittamaan niissä yksikubittiset portit. Laajimmillaan heidän koneissaan on käytettävissä 160 kubittia.
Monien mielestä ionilukituslaitteilla saattaa olla etu. Ionien avulla on helpompaa esimerkiksi varmistaa, että jokainen kubitti on identtinen, koska suprajohtavat piirit ovat paljon monimutkaisempia. Lisäksi ionit ovat vähemmän alttiita virheille, mitä osoittaa koneiden saavuttamat yli 99 %:n porttien toimintavarmuudet (gate fidelity).
Atomit ja elektronit lomittuvat
Tsukuban ja Pittsburghin yliopistojen tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän käyttää lasereita luomaan piikiteiden sisään hilarakenteen aaltoja, joilla voidaan sitten koodata kvantti-informaatiota.
Työssään tutkijat käyttivät hyvin lyhyitä laserimpulsseja elektronien virittämiseen piikiteiden sisällä. Energiset elektronit loivat piirakenteeseen koherentteja värähtelyjä siten, että elektronien ja piiatomien liikkeet lomittuivat.
Hyödyntämällä olemassa olevaa piitekniikkaa, tämä työ voi vähentää huomattavasti tulevien kvanttitietokoneiden kustannuksia salaustekniikassa ja optimoinnissa arvioivat tutkijat.
Stanfordin tutkijat ovat puolestaan keksineet hyödyntää fononeja kvanttimekaanisen tietokoneen kehittämiseksi.
Koska kvantin sijaintia ja liikemäärää ei voida tietää tarkalleen tutkijat keksivätkin mitata energiatiloja eli Fock-tiloja erityisellä kvanttitason mikrofonillaan.
Rochesterin ja Purduen yliopistojen tutkijat ovat osoittaneet menetelmän välittää informaatiota siirtämällä elektronien tiloja itse elektronia siirtämättä.
Akustiikka avuksi
Arizonan yliopiston Department of Materials Science and Engineering ovat osoittaneet mahdollisuutta käyttää akustisia aaltoja klassisessa ympäristössä tekemään kvantti-informaation laskennan työtä ilman aikaan ja häiriintyvyyteen liittyviä rajoituksia.
Kun kubitit lomittuvat toisiinsa, siihen liittyvä ei-lokaalisuuden periaate pitää hiukkaset linkitettynä, jolloin ne luovat Bell-tilan, jossa kaikki kollektiivin osat vaikuttavat toisiinsa.
Kvanttimekaniikka on herkkä ja kubittien tiloja voidaan ylläpitää vain lyhyitä aikoja. Mutta kvanttimekaniikan käytölle datan käsittelyssä on olemassa toinenkin tapa: Optiikan sekä sähkö- ja tietotekniikan tutkijat ovat julkistaneet fotonijärjestelmiä, jotka osoittavat erottamattomuuden ilman ei-lokaalisuutta.
Vaikka ei-lokaalisuus on tärkeä erityisissä sovelluksissa, kuten salaustekniikassa, kvanttilaskennassa vain erottamattomuus on tärkeä. Ja hiukkaset, jotka ovat erottamattomia klassisissa Bell-tiloissa sen sijaan, että ne ovat lomittuneet kvantti Bell-tilaan, ovat paljon vakaampia.
Arizonan tutkimusryhmä on ottanut tässä askeleen eteenpäin osoittamalla ensimmäistä kertaa, että klassista erottamattomuutta voidaan soveltaa akustisiin aaltoihin, ei vain valoaaltoihin. He käyttävät phi-bittejä eli fononeja, jotka välittävät ääni- ja lämpöaaltoja.
Klassisesti lomittuvien akustisten aaltojen on vakauden lisäksi helppo olla vuorovaikutuksessa ja manipuloitavissa.
Materiaalit tällaisen monimutkaisen konseptin osoittamiseksi olivat yksinkertaisia, sisältäen kolme alumiinitankoa, epoksia niiden yhdistämiseksi ja joitain kuminauhoja joustavuuden saavuttamiseksi.
Tutkijat lähettivät äänivärähtelyn aallon tankoihin ja seurasivat sitten aaltojen kahta vapausastetta. Järjestelmän virittämiseksi erottamattomaan tilaan he tunnistivat taajuuden, jolla nämä kaksi vapausastetta olivat linkittyneet toisiinsa, ja lähettivät aallot tällä taajuudella. Siitä syntyi akustinen järjestelmä, joka mahdollistaa luoda Bell-tilat. Kyseessä on täydellinen analogi kvanttimekaniikalle.
Syyskuu 2019