Veijo Hänninen

Kvanttiuutisia kesältä

Kesän aikana julkaistiin useita erilaisia kvanttitietotekniikan eri aiheisiin liittyviä kehitys- ja tutkimustöiden tuloksia.

Piiritekniikka on myös kvanttitutkijoilla kehitystyön aiheena. Heinäkuun alussa MIT:n insinöörit kertoivat kehittäneensä hybridiprosessin, joka yhdistää fotoniikan 'keinotekoisiin atomeihin', tuottaakseen suurimman tietyn tyyppisen kvanttipiirin.

Heidän keinotekoiset atomit syntyvät mikroskooppisen ohuissa timanttipaloissa olevien vikakohtien ja fotonisten piirien avulla.

Saavutus "merkitsee käännekohtaa" skaalautuvien kvanttiprosessorien alalla, kertoo MIT:n apulaisprofessori Dirk Englund. Miljoonia kvanttiprosessoreita tarvitaan kvanttitietokoneiden rakentamiseen ja uusi tutkimus osoittaa toimivan tavan prosessorituotannon skaalaamiseksi.

Hybridimenetelmäänsä käyttämällä Englund ja hänen kollegansa pystyivät rakentamaan 128 kubittisen järjestelmän - suurin integroitu keinotekoinen atomi-fotoniikka piiri siihen mennessä.

Kvantti-informaation jakoa ja prosessointia

Heinäkuun lopulla MIT:n tutkijat ottivat käyttöön kvanttilaskennallisen arkkitehtuurin, joka voi suorittaa pienivirheisiä kvanttilaskelmia jakaen samalla kvantti-informaatiota nopeasti myös prosessorien välillä.

Yksi pääkysymyksistä kvanttitietokoneiden skaalaamisessa on mahdollistaa kvanttibittien vuorovaikutus keskenään. Vierekkäiset kubitit voivat olla helposti vuorovaikutuksessa, mutta miten toimia naapurin takan olevan kanssa?

Vastaus on tavanomaisen valo-aineen vuorovaikutuksen ylittäminen.

Tutkijat ovat siten rakentaneet “jättiläisatomeja” suprajohtavista kubiteista, jotka on kytketty viritettävässä kokoonpanossa mikroaaltosiirtolinjaan. Näin tutkijat voivat säätää kubit-aaltojohteen vuorovaikutuksia, jotta hauraat kubitit voidaan suojata dekoherenssilta tai muulta rappeutumiselta, jota aaltoputki muuten nopeuttaisi.

Kun nämä laskelmat on suoritettu, kubit-aaltojohdekytkentöjen vahvuutta säädetään uudelleen jolloin kubitit pystyvät vapauttamaan kvanttidatan aaltojohtoon fotonien muodossa.

Jättimäinen atomi emittoi informaationsa mikroaaltofotoneina useissa kohdissa aaltojohdetta pitkin siten, että fotonit interferoivat toisiaan. Kubitit pysyvät koko ajan vahvasti kytkettyinä aaltojohteeseen mutta kvantti-interferenssin takia ne voivat jäädä siihen ennalleen ja olla suojattuja dekoherenssilta, samalla kun yksi- ja kaksi-kubbittiset operaatiot suoritetaan tarkasti.

"Tämän avulla voimme kokeilla kokeellisesti uudenlaista fysiikan järjestelmää, jollaista on vaikea käyttää luonnollisten atomien kanssa", Kannan sanoo. "Jättimäisatomin vaikutukset ovat erittäin puhtaita ja helppo havaita ja ymmärtää."

Kaksi suprajohtavaa kubittia, jotka toimivat kuin keinotekoisina jättiläisatomeina. Nämä “atomit” on suojattu dekoherenssilta, mutta ovat silti vuorovaikutuksessa toistensa kanssa aaltojohdon kautta.

Pidempiä koherenssiaikoja

Elokuun alussa ryhmä tutkijoita Chicagon yliopistosta ilmoitti löytäneensä yksinkertaisen muunnoksen, jonka avulla kvanttijärjestelmät voivat pysyä koherenttina 10 000 kertaa kauemmin kuin aiemmin.

Vaikka tutkijat kokeilivat tekniikkaansa solid-state kubiteilla, heidän mielestään menetelmän tulisi olla sovellettavissa myös moniin muihin kvanttijärjestelmiin ja voisi siten mullistaa kvanttiviestinnän, laskennan ja havaitsemisen.

Jotta kvanttitekniikka toimisi varmasti tutkijat yrittävät löytää tapoja pitää järjestelmä johdonmukaisena eli koherenttina niin kauan kuin mahdollista. Yksi yleinen lähestymistapa on järjestelmän fyysinen eristäminen kohisevasta ympäristöstä, mutta se voi olla hankalaa ja monimutkaista. Toinen tekniikka sisältää kaikkien materiaalien tekemisen mahdollisimman puhtaiksi, mikä voi olla kallista.

UChicagon tutkijat ottivat erilaisen otteen. ”Tällä lähestymistavalla emme yritä poistaa kohinaa ympäristöstä; sen sijaan meidän ”temppu” on saada järjestelmä luulemaan, ettei se koe kohinaa”, sanoo tutkijatohtori Kevin Miao.

Yhdessä kvanttijärjestelmien ohjaamiseen käytettyjen tavanomaisten sähkömagneettisten pulssien kanssa tiimi sovelsi ylimääräistä jatkuvaa vuorottelevaa magneettikenttää. Tätä kenttää säätämällä tutkijat pystyivät kiertämään elektronin spiniä nopeasti ja antamaan järjestelmän ”Virittää ulos” loput kohinasta.

Järjestelmä pystyy melkein täysin virittämään tietyt lämpötilanvaihtelujen, fyysisten värähtelyjen ja sähkömagneettisten kohinoiden muodot, jotka kaikki yleensä tuhoavat kvanttikoheesion.

"Tämä lähestymistapa luo polun skaalautuvuuteen", sanoo Awschalom. ”Se tehnee kvantti-informaation tallentamiseen elektronin spiniin käytännölliseksi. Pidennetyt tallennusajat mahdollistavat monimutkaisemmat toiminnot kvanttitietokoneissa ja mahdollistavat spinpohjaisista laitteista siirretyn kvantti-informaation kulkea pitempiä matkoja verkoissa."

Häiriötekijöitä pakoon maan alle

Kvanttitietotekniikan kubittitilojen yhdeksi häiriötekijäksi ovat juuri äskettäin löydetty myös kosmiset säteet.

Suprajohtavat kubitit ovat vuosien mittaan saavuttaneet eksponentiaalisen parannuksen käyttöaikansa suhteen mutta MIT:n, MIT Lincoln Laboratoryn ja Pacific Northwest National Laboratoryn (PNNL) tutkijat ovat havainneet, että kubitin suorituskyky osuu pian kosmiseen muuriin.

Tutkimusraportissaan ryhmä kirjoittaa, että betoniseinien hivenaineiden ja kosmisten säteilyjen aiheuttama matalatasoinen, muuten vaaraton taustasäteily ovat riittäviä aiheuttamaan dekoherenssia kubiteissa.

Tutkijat arvelevat, että tähän säteilyn aiheuttamaan muuriin törmätään vain muutamassa vuodessa. Tämän esteen voittamiseksi tiedemiesten on löydettävä tapoja suojata kubitteja matalalta säteilyltä, esimerkiksi rakentamalla tietokoneita maan alle tai suunnittelemalla säteilyvaikutuksia sietäviä kubitteja.

"On kiehtovaa, kuinka herkkiä suprajohtavat kubitit ovat heikolle säteilylle. Näiden vaikutusten ymmärtäminen laitteissamme voi olla hyödyllistä myös muissa sovelluksissa, kuten tähtitieteessä käytettävissä suprajohtavissa antureissa", kertoo artikkelin pääkirjoittaja Antti Vepsäläinen, postdoc MIT:n elektroniikan tutkimuslaboratoriossa.

Kvanttimateriaaleistako pelastus?

Vankempien kubittien toteuttamiseksi etsitään uusia toteutustapoja erilaisista topologisista kvanttimateriaaleista.

City College of New Yorkin professori Lia Krusin-Elbaumin johtama kansainvälisten fyysikkojen ryhmä on luonut uuden topologisen magneettisen superhilamateriaalin, joka korkeassa lämpötilassa voi johtaa sähkövirtaa ilman hävikkiä.

Havainto voisi olla perusta tutkimukselle, joka johtaa kokonaan uuteen kvanttimateriaaliluokkaan, joka voi mahdollisesti tarjota alustan virheetöntä kvanttilaskentaa varten.

Elokuun alussa puolestaan Aalto-yliopiston tutkijat osoittivat ensimmäisinä aikakiteiden välillä olevan vuorovaikutuksen.

Vasta vuonna 2016 tunnistetun aikakiteen omituisuus on vakio, toistuva liike ajan suhteen ulkoisesta tekijöistä huolimatta. Niiden atomit värähtelevät jatkuvasti, pyörivät tai liikkuvat ensin yhteen suuntaan ja sitten toiseen. Tällaisia koherenssin pitkään säilyttäviä materiaaleja kaivataan kipeästi esimerkiksi kvanttitietokoneiden prosessoreissa.

Nyt Aallon tutkijat ovat yhdessä kansainvälisten kollegoidensa kanssa pystyneet ensimmäistä kertaa kokeellisesti osoittamaan, että aikakiteet noudattavat kvanttimekaniikan perusperiaatteita.

“Osoitimme, että hiukkasten liike kahden aikakiteen välillä noudattaa kuuluisaa Josephsonin yhtälöä – ja samalla aikakiteille tyypillinen ajassa toistuminen säilyy muuttumattomana”, sanoo Aalto-yliopiston vanhempi tutkija Vladimir Eltsov.

“Aikakiteiden vuorovaikutuksen havaitseminen ja ohjailu on pitkä edistysaskel, ottaen huomioon, että ennen tätä, kahta aikakidettä ei ole koskaan luotu samanaikaisesti”, jatkaa nykyisin Lancasterin yliopistossa tutkijatohtorina työskentelevä Samuli Autti.

Kuvassa kahden aikakiteen vuorovaikutus. Nuolet edustavat magneettisia momentteja, joita todellisuudessa prosessoidaan jatkuvasti

Virheitä korjaava kissa

Yale yliopiston fyysikot ovat kehittäneet virheen korjaavan kissan - uuden laitteen, joka yhdistää Schrödingerin kissan superpositiokäsityksen kyvyllä korjata joitain vaikeimmista virheistä kvanttilaskennassa.

Kvantti-informaation bitit - kubitit - ovat alttiina sekä perinteiselle bittien flippaukselle että ”vaihemuutoksille”, joissa kubitti satunnaisesti kääntyilee kvanttisuperpositioiden välillä.

Tähän saakka kvanttitutkijat ovat yrittäneet korjata virheet lisäämällä redundanssia, mikä edellyttää, että jokaista työkubittia varten on runsaasti fyysisiä apukubitteja.

”Työmme johtaa uudesta ideasta. Miksi et käyttäisi fiksua tapaa koodata informaatiota yhdessä fyysisessä järjestelmässä siten, että yhden tyyppiset virheet hävitetään suoraan? "Devoret kysyi. Toisin kuin usean fyysisen kubitin ylläpitäminen, joka tarvitaan yhden tehokkaan kubitin ylläpitämiseksi, yksi kissakubitti voi estää vaihekääntymisen täysin itsestään.

Kissakubitti koodaa tehokkaan kubitin kahden tilan superpositioiksi yhdessä elektronisessa piirissä - tässä tapauksessa suprajohtavassa mikroaaltoresonaattorissa, jonka värähtelyt vastaavat kissakubitin kahta tilaa. Yalen kvanttitietotekniikan kehitystyön perusta on Circuit QED -tekniikka, jossa hyödynnetään mikroaaltojen fotoneja suprajohtavassa mikroaaltoresonaattorissa.

Tutkijat kertoivat kykenevänsä muuttamaan kissakubitin yhdestä sen superpositiotilasta mihin tahansa muuhun superpositiotilaan komennolla. Lisäksi tutkijat kehittivät uuden tavan lukea tai tunnistaa kubittiin koodattu informaatio.

Ioniansalla uuteen ennätystasoon

Kesäkuussa Honeywell julkisti jo keväällä uhoamansa saavutuksen eli on nyt tuottanut kvanttivolyymin QV 64 arvoisen suoritustason koneelleen.

Honeywellin kvanttilaskin koostuu ruostumattomasta teräskammiosta, joka jäähdytetään lämpötilaan, jossa atomit lopettavat värähtelyn. Tyhjiökammion sisällä sähkökentät levitoivat yksittäisiä varattuja atomeja 0,1 milliä ioniansapiirin yläpuolella, jossa niitä voidaan manipuloida ja koodata mikroaaltosignaaleilla ja lasereilla.

”Se mikä tekee meidän kvanttikoneestamme niin tehokkaan, on alan korkealaatuisimmat kubitit ja pienimmät virhearvot. Tämä on yhdistelmä, joka mahdollistaa käyttää identtisiä, täysin kytkettäviä kubitteja ja tarkkaa hallintaa”, sanoo Honeywell Quantum Solutionsin toimitusjohtaja Tony Uttley.

Jatkossa yhtiö aikoo kasvattaa koneensa kvanttivolyymiä kertoimella 10 joka vuosi seuraavien viiden vuoden aikana.

Aikoinaan Honeywell oli merkittävä suurien keskustietokoneiden valmistaja kilpaillen IBM:n ja parin muun toimittajan kanssa. Sittemmin se myi bisneksensä muille mutta on nyt kvanttikoneen myötä innostunut aiheesta uudelleen.

Suorituskyvyn tuplaten

Elokuussa IBM julkisti oman 64 Quantum Volume saavutuksensa. Yhdistämällä sarjan uusia ohjelmisto- ja laitteistotekniikoita kokonaissuorituskyvyn parantamiseksi, IBM on päivittänyt yhden uusimmista 27-kubittisistä asiakaskäyttöön ottamistaan järjestelmistä kvanttivolyymiin 64.

IBM:n kehittämä Quantum Volume (QV) eli kvanttivolyymi on yhteen lukuun tiivistetty kvanttikoneiden suorituskykyindikaattori. Yhtiön aiempi prosessori kykeni QV-arvoon 32.

QV kuvaa kuinka raskaan ja pitkän algoritmin kone jaksaa suorittaa. Luvun suuruuteen vaikuttavat monet erilaiset tekijät, kuten esimerkiksi kubittien lukumäärä, niiden vikatiheys, latenssit, kvanttipiirien erilaisten porttien määrä, kubittien väliset liitännät ja kääntäjien tehokkuus.

"Etsimme jatkuvasti keinoja venyttää järjestelmiemme suorituskyvyn rajoja, jotta voimme hyödyntää suurempia ja monimutkaisempia kvanttialgoritmeja saavuttaaksemme kvanttiedun", sanoo IBM Quantum -yksikön johtaja Jay Gambetta. "IBM:n full-stack -lähestymistapa tarjoaa kehittäjille uusia tapoja suunnitella laitteistotietoisia sovelluksia, algoritmeja ja piirejä, jotka toimivat alan laajimmalla ja tehokkaimmalla kvanttilaitteistokannalla."

Kuvassa IBM Quantum Falcon -prosessori. Hilan liitettävyys määritetään kytkentöjen avulla ylemmässä kubittisirussa, joka on kiinnitetty kiinni alaosan välittäjäsiruun signaalin toimittamista ja lukemista varten.

Elokuu 2020