Veijo Hänninen

Tavoitteena virheetön kvanttilaskenta

Kokeellisten tutkijoiden ajatuksissa siintää jo virheetön kvanttilaskenta. Mutta monet nykytasoiset laiteratkaisut tähtäävät jo vähemmän virheettömiin ja vähemmän perinteistä laskentaa muistuttaviin kaupallisesti kiinnostaviin tavoitteisiin.

Innsbruckin yliopiston Thomas Monzin ja Markus Müllerin RWTH Aachenin yliopistosta ja Forschungszentrum Jülichistä johtama tiimi on nyt ensimmäistä kertaa onnistunut toteuttamaan joukon laskennallisia operaatioita kahdelle loogiselle kvanttibitille, joita voidaan käyttää minkä tahansa mahdollisen toimenpiteen toteuttamiseen.

"Tosimaailman kvanttitietokonetta varten tarvitsemme universaalin joukon portteja, joilla voimme ohjelmoida kaikki algoritmit", selittää Lukas Postler, Innsbruckista.

>Tutkijaryhmä toteutti tämän universaalin porttisarjan ioniloukun kvanttitietokoneeseen, jossa oli 16 loukkuun jäävää atomia. Kvantti-informaatio tallennettiin kahteen loogiseen kvanttibittiin, joista kumpikin jakautui seitsemään atomiin.

Nyt on ensimmäistä kertaa mahdollista toteuttaa kaksi laskennallista porttia näille vikasietoisille kvanttibiteille, jotka ovat välttämättömiä universaalille porttijoukolle: laskennallinen operaatio kahdella kvanttibitillä (CNOT-portti) ja looginen T portti, joka on erityisen vaikea toteuttaa vikasietoisissa kvanttibiteissä.

"T-portit ovat hyvin perustavanlaatuisia operaatioita", selittää teoreettinen fyysikko Markus Müller. "Ne ovat erityisen mielenkiintoisia, koska kvanttialgoritmeja ilman T-portteja voidaan simuloida suhteellisen helposti klassisilla tietokoneilla, mikä tekee tyhjäksi kaikki mahdolliset nopeudet. Tämä ei ole enää mahdollista algoritmeille, joissa on T-portti."

Fyysikot esittelivät T-portin valmistelemalla erityisen tilan loogiseen kvanttibittiin ja teleportoimalla sen toiseen kvanttibittiin lomittuvalla porttioperaatiolla.

Koodatuissa loogisissa kvanttibiteissä tallennettu kvantti-informaatio on suojattu virheiltä. Mutta tämä on hyödytöntä ilman laskennallisia operaatioita ja nämä toiminnot ovat itsessään virhealttiita.

Tutkijat ovat toteuttaneet operaatioita loogisille kubiteille siten, että myös taustalla olevien fyysisten toimintojen aiheuttamat virheet voidaan havaita ja korjata. Siten he ovat toteuttaneet ensimmäisen vikasietoisen toteutuksen yleisestä porttijoukosta koodatuille loogisille kvanttibiteille.

"Vikasietoinen toteutus vaatii enemmän operaatioita kuin ei-vikasietoiset toiminnot. Tämä tuo enemmän virheitä yksittäisten atomien mittakaavassa, mutta silti kokeelliset operaatiot loogisilla kubiteilla ovat parempia kuin ei-vikasietoiset loogiset operaatiot." raportoi Thomas Monz mielellään. "Vaiva ja monimutkaisuus lisääntyvät, mutta tuloksena oleva laatu on parempi."

Fyysikot ovat näin osoittaneet kaikki vikasietoisen laskennan rakennuspalikat kvanttitietokoneella. Nyt tehtävänä on toteuttaa nämä menetelmät suuremmilla ja siten hyödyllisemmillä kvanttitietokoneilla. Innsbruckissa ioniloukkukvanttitietokoneella esiteltyjä menetelmiä voidaan käyttää myös muissa kvanttitietokoneiden arkkitehtuureissa.

Fotoniikalla vekslaten

Kun ajatellaan kvanttimekaanisia järjestelmiä, monesti ajatus liittyy yksittäisiin fotoneihin ja hyvin eristettyihin ioneihin ja atomeihin tai elektroneihin.

Mutta muitakin ratkaisuja löytyy. Torontossa toimiva kvanttilaskennan start-up Xanadu on julkaissut fotonisen Borealis-prosessorinsa ja asettanut sen kokeilijoiden saataville Xanadu Cloudissa.

Samalla yritys on osoittanut kvanttiedun omalla ratkaisullaan suorittamalla satunnaislukunäytteenottokokeen käyttämällä Gaussin bosoninäytteenottoa. Saavutus on samankaltainen kuin Googlen lokakuussa 2019 ja Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston joulukuussa 2020 toteuttamat demonstraatiot.

>Tämä on uusi saavutus fotoniselle kvanttilaskennalle. Borealis-koneen arkkitehtuuri on siitä erikoinen, että se käyttää fotonista aikamultipleksointia 216 kubitin saavuttamiseksi sen sijaan, että luotaisiin erityisiä fyysisiä rakenteita jokaiselle yksittäiselle kubitille.

Fotoninen aikamultipleksointi tarjoaa verrattain laitteistotehokkaan polun vikasietoisten kvanttitietokoneiden rakentamiseen. Koodaamalla kvantti-informaatiota peräkkäisiksi valopulsseiksi ja multipleksoimalla niitä tehokkaasti informaation käsittelemiseksi useissa tiloissa voidaan käsitellä suuria ja erittäin lomittuneita tiloja suhteellisen pienellä määrällä optisia komponentteja.

Menetelmä erottaa vaaditun komponenttien määrän ja koneen fyysisen laajuuden suorittavan kvanttipiirin koosta Tämä erottelu tuottaa huomattavaa etua skaalauksessa mutta ratkaisu edellyttää, että laitteen epätäydellisyydet voidaan pitää riittävän pieninä.

Lisäksi suhteellisen vaatimaton optisten reittien ja ohjauskomponenttien määrä välttää monet perinteisten, tasomaisten kaksiulotteisten optisten interferometrien toteutusten haasteet, jotka kärsivät suuresta monimutkaisuudesta ja raskaista rinnakkaisohjausvaatimuksista, erityisesti kun halutaan pitkän kantaman liitettävyys.

Mekaanisia kubitteja mittaillen

Myös järjestelmät, joissa mekaanista liikettä ohjataan yksittäisten kvanttien tasolla, ovat nousemassa tieteilijöitä kiinnostavaksi kvanttiteknologian alustaksi.

Uusi kokeellinen ETH Zürichin työ selvittää nyt, kuinka tällaisten järjestelmien kvanttiominaisuuksia voidaan mitata tuhoamatta kvanttitilaa - avaintekijä mekaanisten kvanttijärjestelmien täyden potentiaalin hyödyntämisessä.

Erilaisissa tutkimuksissa mekaanisissa järjestelmissä on havaittu olennaisia kvanttimekaanisia piirteitä kuten värähtelyn kvantisoituminen. Myös energia voi kvantisoitua ja lomittua. Mutta tällaisia kvanttitiloja pitäisi voida myös ohjata, mitata ja lopulta hyödyntää laiterakenteissa.

ETH:n Yiwen Chun ryhmä on saavuttanut edistystä tähän suuntaan. Tutkimuksessaan he raportoivat informaation poimimisesta mekaanisesta kvanttijärjestelmästä tuhoamatta arvokasta kvanttitilaa. Tämä edistys tasoittaa polun sovelluksiin, kuten kvanttivirheen korjaukseen ja siitä eteenpäin.

>Tutkijoiden mekaanisen järjestelmän tuottamat herätteet ovat suuren atomimäärän kollektiivista liikettä, mutta ne ovat silti kvantisoituneet (energiayksiköissä, jotka tunnetaan fononeina) ja ne voidaan periaatteessa ainakin kohdistaa kvanttioperaatioihin hyvin pitkälti samalla tavalla kuin atomien, fotonien ja elektronien kvanttitiloja.

Mielenkiintoista on, että mekaaninen resonaattori on mahdollista liittää muihin kvanttijärjestelmiin ja erityisesti suprajohtaviin kubitteihin. Suprajohtavaan piiriin liittyvät sähkömagneettiset kentät mahdollistavat kubitin kytkemisen akustisen resonaattorin pietsosähköiseen muuntimeen ja sitä kautta sen mekaanisiin kvanttitiloihin. Tällaisissa hybrideissä kubitti-resonaattorilaitteissa voidaan yhdistää parhaat näistä kahdesta maailmasta.

Tällaisissa sovelluksissa pelkkä kubitin ja resonaattorin tilojen kytkeminen ei kuitenkaan riitä. Esimerkiksi kvanttitilan suora mittaus resonaattorissa tuhoaa sen tehden toistuvat mittaukset mahdottomaksi. Sen sijaan tarvitaan kyky poimia informaatiota mekaanisesta kvanttitilasta pehmeämmällä ja hyvin hallitulla tavalla.

Chun tohtoriopiskelijat Uwe von Lüpke, Yu Yang ja Marius Bild, jotka työskentelevät Matteo Fadelin ja Laurent Michaudin kanssa ovat nyt osoittaneet protokollan sellaisille ns. kvanttitason ei-purkaville mittauksille.

Heidän kokeissaan suprajohtavan kubitin ja akustisen resonaattorin välillä ei ole suoraa energianvaihtoa mittauksen aikana. Sen sijaan kubitin ominaisuudet tehdään riippuviksi akustisen resonaattorin fononien lukumäärästä ilman, että tarvitsee suoraan "koskea" mekaaniseen kvanttitilaan.

Puskettuaan järjestelmänsä onnistuneesti haluttuun toimintatilaan (tunnetaan nimellä "strong dispersive regime"), tiimi pystyi poimimaan varovasti fononien lukumäärän jakauman akustisessa resonaattoristaan jännityksen jälkeen eri amplitudeilla.

Pitääkö kubitti kutinsa

Aalto-yliopiston ja VTT:n professori Mikko Möttönen on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta 2,5 miljoonan euron ERC Advanced Grant -rahoituksen ConceptQ-hankkeelle.

>udessa hankkeessa Möttösen vetämä tiimi kehittää uutta kubittia, jonka avulla saadaan aikaan aiempaa tarkempia kvanttioperaatioita, esimerkiksi laskentaa kvanttitietokoneissa. Lisäksi hankkeessa kehitetään millikelvinin lämpötilassa toimivaa elektroniikkaa.

”Uusi kubittimme ei vaadi valmistusprosessin muutosta ja sen rakenne on myös hyvin yksinkertainen. Yksinkertaisempi toimii yleensä varmemmin”.

Tärkein syy siihen, että uusi kubitti voi olla parempi tai nopeampi kuin nykyisin kvanttitietokoneissa yleisesti käytössä oleva transmon-kubitti, on kuitenkin epälineaarisuus Sen vuoksi uutta kubittia voi operoida nopeammin ilman, että se harhautuu nollasta ja ykkösestä väärille tasoille, kuten kakkoseksi tai kolmoseksi”, Möttönen kertoo ja jatkaa:

”Operaatio on tarkempi, koska sen aikana ei ehdi tulla niin paljon virheitä kuin normaalisti. Nykyinen transmon-kubitti lipsahtaa melko herkästi vääriin tiloihin, jos sitä yrittää operoida liian nopeasti. Laskenta menee siis pieleen ja lopputulos on todennäköisesti väärä.”

Matkalla kaupalliseen käyttöön

ConceptQ -hankkeessa kehitetään myös matalassa lämpötilassa toimivaa elektroniikkaa, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi kvanttitietokoneissa.

”Elektroniikka integroidaan lähelle kubittia, jolloin tehonkulutus pienenee merkittävästi. Tulevaisuudessa kvanttiprosessorit ovat yhä suurempia ja meidän kehittämämme elektroniikan ansiosta jokaiselle kubitille ei tarvitsisi vetää omaa ohjauskaapelia”, Möttönen sanoo.

Möttönen kehittää tiimeineen myös kvanttialgoritmia, joiden avulla kvanttitietokoneiden laskentateho saadaan mahdollisimman hyvin hyödynnettyä. Vielä kvanttitietokoneiden teho ei yllä supertietokoneiden tasolle.

Hankkeella voi olla pitkällä aikavälillä monia sovellusalueita muun muassa kvanttisensoreissa ja simulaattoreissa sekä kvanttitermodynamiikassa, tietoturvassa ja tekoälysovelluksissa.

”Matka tutkimuksesta kaupalliseen käyttöön riippuu paljolti siitä, mitä käyttöönotto vaatii. Jos kyseessä on vain uusi menetelmä, joka käyttää jo olemassa olevia kubitteja, se voi olla kaupallisessa käytössä jo vuoden sisällä keksinnöstä. Jos uusi idea taas vaatii uutta rautaa tai valmistusprosessin uudelleen suunnittelua, tie hyötykäyttöön on hitaampi. Uusien materiaalien tarve sirujen valmistuksessa hidastaa soveltamista edelleen. Mitä pienemmällä työllä uuden idean saa ujutettua mukaan, sitä parempi. Toki jos edut ovat valtavan suuret, sitten on motivaatiota tehdä suuria muutoksia”, Möttönen pohtii.

Parametrinen vahvistin piikvanttilaitteille

Kubitti on niin keskeinen tekijä kvanttitietotekniikassa, että sen häiriöttömän toiminnan ja luennan eteen tehdään edelleen paljon tutkimustyötä.

Monissa kvanttilaskennan alustoissa vaatimus hyvästä luentatarkkuudesta tarkoittaa parametristen vahvistimien käyttöä kubittitiloja edustavien erittäin pienitehoisten signaalien tehostamiseksi; esimerkiksi suprajohtavissa kvanttitietokoneissa käytetään tyypillisesti parametrisia vahvistimia, jotka perustuvat Josephson-liitoksen epälineaariseen induktanssiin.

Toukokuussa Laurence Cochrane ja hänen kollegansa Cambridgen yliopistosta ja Quantum Motion Technologiesista esittelevät parametristä vahvistintekniikkaa, jossa hyödynnetään piin kvanttipisteen epälineaarista kvanttikapasitanssia. Toisin kuin Josephson-liitoksiin perustuvat mallit, tätä uutta lähestymistapaa voidaan käyttää vahvoissa magneettikentissä ja siten se voidaan integroida helpommin puolijohteisten kubittien tekniikoihin.

Kokeissa ryhmä havaitsi signaalien kaksinkertaista vahvistusta mutta he ehdottavat optimoitua piirimallia, joka voisi vahvistaa signaalin satakertaiseksi.

Tällainen signaalin tehostus tuottaisi vahvistimen suorituskyvyn verrattavaksi vakiintuneisiin malleihin, kun taas sen magneettikenttien sieto voisi mahdollistaa rakenteen käytön piipohjaisissa kvanttilaitteissa, jotka vaativat toimiakseen voimakkaita magneettikenttiä.

Kesäkuu 2022