Veijo Hänninen

Kvanttitietotekniikan uutisia

Kvanttitietotekniikan kehitys on tuonut esiin uudenlaisia kubitteja, muistilaajennusta, fotonisen kvanttilogiikan portin, tehokkaampaa virheenkorjausta ja moniytimistä toimintaa.

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota veti CNRS:n Fabio Pistolesi, osoitti teoreettisilla laskelmilla, että on mahdollista toteuttaa uudenlainen kubitti, jossa informaatio tallennetaan hiilinanoputken värähtelyamplitudiin.

Hiilinanoputkilla voi toteuttaa suuren määrän värähtelyjä niiden heikkenemättä, mikä osoittaa niiden alhaisen vuorovaikutuksen ympäristön kanssa ja tekee niistä erinomaisia potentiaalisia kubitteja.

Tutkijat ovat jo osoittaneet onnistuneesti, että informaatiota voidaan lukea käyttämällä elektronin ja nanoputkien taivutusmoodin välistä kytkentää.

Kierteiset suprajohtavat hiutaleet

Bathin yliopiston tutkijat ovat löytäneet tavan valmistaa ”yksikiteisiä hiutaleita'', jotka ovat niin ohuita ja virheettömiä, että niillä on mahdollisuus ylittää nykyään kvanttitietokonepiireissä käytetyt komponentit.

Yliopiston fysiikan laitoksen tiimi teki löydön tutkiessaan suprajohtavan niobium-diselenidin kahden kerroksen välisestä liitoksesta, kun nämä kerrokset on kierretty noin 30 astetta toisiinsa nähden.

Näin he pystyivät rakentamaan suprajohtavan kvantti-interferometrin (SQUID) - erittäin herkän anturin, jota käytetään mittaamaan uskomattoman pieniä magneettikenttiä.

SQUID-laitteilla on laaja valikoima tärkeitä sovelluksia mm. terveydenhuollon ja mineraalien etsinnän parissa. Ne ovat myös nykypäivän kaupallisten kvanttitietokoneiden rakenneosia.

Kierretyt suprajohtavat hiutaleet saattavat tuottaa parempia komponentteja kvanttitietokoneille. Kiertorakenteella toteutettu kvantti-interferenssi on mahdollistanut moduloida suurimman supravirran, joka voi virrata SQUID-rakenteiden läpi soveltamalla pientä magneettikenttää ja luoden siten erittäin herkän kenttäanturin. Tutkijat pystyivät myös osoittamaan, että rakenteen ominaisuuksia voidaan virittää järjestelmällisesti vaihtamalla kahden hiutaleen välistä kiertokulmaa.

Fotonisiru tuo virhesuojaa kubiteille

Bristolin Quantum Engineering and Technology Labsin (QETLabs) tutkijaryhmä on osoittanut, kuinka suojata kubitteja virheiltä käyttämällä fotoneja piisirulla.

Kvanttivirheenkorjauskoodit ovat menetelmä kubittien suojaamiseksi tai huolehtimiseksi ajamalla ne useiden hiukkasten vankkaan lomittuneeseen tilaan.

Bristolin QETLabsin tutkijoiden johtama ryhmä osoitti kuinka laajat lomittuneiden fotonien tilat voivat sisältää yksittäisiä loogisia kubitteja ja suojata niitä klassisen maailman haitallisilta vaikutuksilta.

Tämä tutkimuksen fotonisen sirun valmistivat tanskalaisen DTU Fononikin tutkijat. Tohtori Caterina Vigliar, työn ensimmäinen kirjoittaja, sanoi: ”Siru on todella monipuolinen. Se voidaan ohjelmoida tuottamaan erilaisia lomittuneita tiloja.

DTU:n tutkijat uskovat, että tehokkaampien fotonilähteiden avulla pystymme rakentamaan enemmän ja erilaisia resurssitiloja, jotka mahdollistavat suurempia ja monimutkaisempia laskelmia sekä rajattoman suojatun kvanttiviestinnän.

Uusi pala kvanttilaskennan palapeliä

Kvanttitietokoneessa tarvittava fotoninen kaksibittinen kvanttilooginen portti on ollut ulottumattomissa tähän asti

Washingtonin yliopiston St. Louisin McKelvey teknillisen korkeakoulun tutkimus on nyt löytänyt tämän puuttuvan osan optisen kvanttilaskennan palapelistä.

Professori Jung-Tsung Shen on kehittänyt deterministisen, erittäin tarkan kaksibittisen kvanttilogiikan portin, joka hyödyntää uudenlaista valomuotoa. Tämä uusi logiikkaportti on suuruusluokkaa tehokkaampi kuin nykyinen tekniikka. "Ihannetapauksessa uskollisuus voi olla jopa 97%", Shen toteaa.

Kvanttitietokoneiden potentiaali on sidottu superposition epätavallisiin ominaisuuksiin ja lomittumiseen.

Elektroneilla on useita piirteitä, jotka sopivat hyvin kubiteiksi: Sähkö- tai magneettikenttä manipuloi elektroneita helposti ja ne vuorovaikuttavat toistensa kanssa. Vuorovaikutus on etu, kun pitää saada kaksi bittiä lomittumaan. Mutta vuorovaikutuksessa on myös ongelma. Kaikki virrankulun magneettisista hajakentistä voi vaikuttaa elektroneihin, mikä tekee niistä vaikeasti hallittavia.

Jo pitkään tieteilijät ovat yrittäneet käyttää fotoneja kubitteina elektronien sijaan. Fotoneilla ei ole varausta, mikä johtaa päinvastaisiin ongelmiin: ne eivät ole vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa kuten elektronit, mutta ne eivät myöskään ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Siinä onkin ollut haastetta.

Shen pystyi rakentamaan kaksibittisen kvanttiloogisen portin tavoitellulla tehokkuudella, käyttämällä hänen aikoinaan teoretisoimaa uutta kvanttifotonisen tilan luokkaa – fotonidimeerejä. Ne ovat sekä avaruuteen että taajuuteen lomittuneita fotoneja.

Kun yksi fotoni tulee loogiseen porttiin, mitään merkittävää ei tapahdu - se menee sisään ja tulee ulos. Mutta kun on olemassa kaksi fotonia, ”Silloin ennustimme, että nämä kaksi voivat muodostaa uuden tilan, fotonidimeerit. On käynyt ilmi, että tämä uusi tila on ratkaisevan tärkeä koska se antaa lähtötilalle oikean merkin, joka on välttämätön optisen logiikan toiminnoille."

Vähemmillä kubiteilla

Kvantti-informaation tallennusyksiköiden sisällyttäminen kvanttitietokoneisiin voi antaa tutkijoiden rakentaa sellaisialaitteita, joiden prosessoreissa on useita suuruusluokkia vähemmän kubitteja.

Tähän mennessä kvanttimuisteja koskeva tutkimus on suurelta osin keskittynyt sen käyttöön kvanttiviestinnässä ja -verkoissa.

Nyt Élie Gouzien ja Nicolas Sangouard French Alternative Energies and Atomic Energy Commission:sta ovat tutkineet, miten kvanttimuistia voitaisiin käyttää laskennassa.

Duo osoittaa, että kvanttitietokonearkkitehtuuri, joka sisältää kvanttimuistin, voisi suorittaa laskelmia, joiden prosessorissa on kolme suuruusluokkaa vähemmän kubitteja kuin tavalliset arkkitehtuurit vaativat, mikä tekee laitteista mahdollisesti helpommin toteutettavia.

Suprajohtavien kubittien käytön haasteena on, että niitä vaaditaan suuri määrä suprajohtavan kubittien tietokonearkkitehtuuriin, jonka prosessori koostuu tyypillisesti 2D-ruudukosta, jossa laskutoimitukset tehdään vain vierekkäisten kubittien vuorovaikutusten avulla.

Työssään Gouzien ja Sangouard harkitsivat sen sijaan kubittien 2D-ruudukkoa liitettäväksi kvanttimuistiin, jotka on organisoitu kolmiulotteisesti.

Vertailussaan he havaitsivat, että tämä kvanttimuistinen versio voisi laskea 2048-bittisen RSA-kokonaisluvun vain 13 436 kubitilla, kun taas vakioarkkitehtuuri, jossa ei ole kvanttimuistia, saattaa vaatia noin kaksikymmentä miljoonaa kubittia tähän tehtävään.

Vakioarkkitehtuurin arvioidaan kuitenkin ottavan faktorisoinnissa vain 8 tuntia, kun taas kvanttimuistiarkkitehtuuri vaatisi 177 päivää. Mutta tutkijat pohtivat, että lähestymistapaa kannattaa tutkia tarkemmin, koska huomattavasti pienempi määrä tarvittavia kubitteja tekee lähestymistavasta paljon toteutettavamman lähitulevaisuudessa.

Uudelleen konfiguroitava moniytiminen arkkitehtuuri

Ansoitettuihin ioneihin tukeutuvan kvanttitietotekniikan johtava tekijä IonQ avaa oven dramaattisesti tehokkaammille kvanttitietokoneille, debytoimalla teollisuudessa ensimmäisen uudelleen konfiguroitavan moniytimisen kvanttiarkkitehtuurin.

Vuoden 2021 alussa esiteltävä 4 x 16 uudelleen konfiguroitava moniytiminen kvanttiarkkitehtuuri (RMQA) voittaa suuremmille kvanttitietokoneille ominaiset vakaushaasteet ja avaa oven kvanttitietokoneille, joissa on satoja kubitteja yhdellä sirulla.

Teknologian taustalla on uusi sarja IonQ:n kehittämiä, patentteja odottavia EGT-sarjan ioniansasiruja, joka tuottaa tiukemman ionirajauksen, paremman ionien käyttöiän ja pienemmän ionien lämpenemisen.

Alkaen 16 ionin 4 ketjun demonstraatiosta, joista kukin voidaan konfiguroida dynaamisesti kvanttilaskennan ytimiksi, IonQ uskoo, että se on luonut perustan kubittimäärän lisäämiselle kolminkertaisiksi yhdellä sirulla sekä tulevalle rinnakkaisen moniytimiselle kvanttikäsittelyn yksiköille (Parallel Multicore Quantum Processing Units).

Tämä demo saavutettiin teknologisella Evaporated Glass Traps (EGT) nimisellä alustalla. Lasirakenteisena se tarjoaa uuden arkkitehtuurin käyttämiseen tarvittavan vakauden vähäisellä tai ilman uudelleen kalibrointia, maksimoi käyttöajan ja optimoi kuljetuksen. Lasirakenteella vältetään esimerkiksi piisirussa esiintyviä hajasähkön kenttiä ja lasin läpi voi operoida lasersäteillä ionien kvanttitiloja käsiteltäessä.

EGT-sarjan alustojen odotetaan laajenevan tukemaan enemmän ketjuja ja jokainen ketju lisää kvanttilaskentatehoa 4000 kertaisessti tai enemmän.

Lokakuu 2021