Veijo Hänninen
Kvanttilaskenta realisoituu
Kvanttitietotekniikka jatkaa hitaalta tuntuvaa mutta vääjäämätöntä etenemistään. Useat tutkijat vertaavat kvanttitietotekniikan tilaa perinteisempien tietokoneiden tilanteeseen 1960-luvulla.
IBM:llä on selvä tiekartta kvanttitietotekniikan kubittimäärän kasvattamiseen ja erilaisten aiheeseen liittyvien ohjelmistoratkaisujen tarjonnassa. Tavoitteena on vuonna 2025 tarjota 4000 kubitin prosessoritekniikka, joka toteutetaan useilla modulaarisesti skaalattujen prosessorien ryhmällä.
Marraskuun alussa VTT:n kertoi, että heidän Helmi-kvanttitietokone on yhdistetty CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy:n isännöimään yleiseurooppalaiseen Lumi-supertietokoneeseen. Yhdistämisen kautta Lumesta tulee maailman tehokkain kvanttikiihdytetty superlaskentainfrastruktuuri.
Tällaiset uutiset kertovat, että kvanttitietotekniikka on astumassa tieteen ja teollisuuden käyttöön. Esimerkiksi autoteollisuus hyödyntää sitä jo erityisesti akkutekniikan kehitystyössä.
Katsastetaan ensin paras vaihtoehto
Kööpenhaminan yliopiston ja Novo Nordisk Foundationin yhteistyössä käynnistettävän kvanttilaskentaohjelman tavoite on, että Tanskan ensimmäinen täysin toimiva yleiskäyttöinen kvanttitietokone on saatavilla vuonna 2034.
Ohjelma kestää 12 vuotta ja se toteutetaan yhteistyössä useiden kansainvälisten yliopistojen ja teollisuuden tutkimusryhmien kanssa.
Ensimmäisen seitsemän vuoden aikana tutkijat ja insinöörit kehittävät materiaaleja ja laitteistoja. Tavoite aluksi on luoda valmiuksia kolmesta lupaavimmasta kvanttilaskennan alustasta.
Ajatus on, että kun muut ovat jo valinneet alustansa ja yrittävät optimoida niitä tuloksena voi olla perustavanlaatuisia umpikujia. Projektissa käytetään seitsemän ensimmäistä vuotta tunnistamaan alustaa, joka tarjoaa paarhaimman mahdollisuuden rakentaa käyttökelpoinen kvanttitietokone. Seuraavat viisi vuotta käytetään valitun alustan skaalaamiseen sellaiseen kokoon, että se on yliopistojen ja teollisuuden tutkijoiden käytettävissä sen lisäksi, että sitä käytetään biotieteiden ongelmien ratkaisemiseen.
Kubittien käyttöä optimoiden
Innsbruckin yliopiston fyysikot esittelevät yhden uuden arkkitehtuurin universaalille kvanttitietokoneelle, joka tutkijoiden mukaan voisi pian olla seuraavan sukupolven kvanttitietokoneiden perusta.
Kvanttibitit toimivat kvanttitietokoneessa sekä laskentayksikkönä että muistina samanaikaisesti. Tästä johtuen kaikkien kvanttitietokoneen kubittien on kyettävä olemaan vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja tämä on tällä hetkellä edelleen suuri haaste tehokkaiden kvanttitietokoneiden rakentamisessa.
Vuonna 2015 teoreettinen fyysikko Wolfgang Lechner työsti Philipp Hauken ja Peter Zollerin kanssa tätä ongelmaa ja he ehdottivat uutta arkkitehtuuria kvanttitietokoneelle, joka on nyt nimetty LHZ-arkkitehtuuriksi tekijöidensä mukaan.
"Tämä arkkitehtuuri suunniteltiin alun perin optimointiongelmia varten", muistelee Wolfgang Lechner Innsbruckin yliopiston teoreettisen fysiikan laitokselta.
"Silloisessa prosessissa kutistimme arkkitehtuurin minimiin, jotta nämä optimointiongelmat voitaisiin ratkaista mahdollisimman tehokkaasti." Kyseisessä arkkitehtuurissa fyysiset kubitit eivät edusta yksittäisiä bittejä, vaan koodia edustaa bittien välinen suhteellinen koordinaatio. "Tämä tarkoittaa, että kaikkien kubittien ei enää tarvitse olla vuorovaikutuksessa keskenään", Wolfgang Lechner selittää.
Hän on nyt tiiminsä kanssa osoittanut, että tämä pariteettikonsepti sopii myös universaaliin kvanttitietokoneeseen.
Tavanomaisemmat pariteettitietokoneet voivat suorittaa operaatioita kahden tai useamman kubitin välillä yhdellä kubitilla. "Olemassa olevat kvanttitietokoneet toteuttavat tällaiset toiminnot jo erittäin hyvin pienessä mittakaavassa", Michael Fellner selittää. "Kuitenkin kubittien määrän kasvaessa tällaisten porttitoimintojen toteuttaminen on entistä monimutkaisempaa."
Kahdessa uudessa julkaisussa Innsbruckin tutkijat osoittavat nyt, että pariteettitietokoneet voivat esimerkiksi suorittaa kvantti-Fourier-muunnoksia - monien kvanttialgoritmien perustavanlaatuisia rakenneosia - huomattavasti vähemmillä laskentavaiheilla ja siten nopeammin. "Arkkitehtuurimme suuri rinnakkaisuus tarkoittaa, että esimerkiksi tunnettu Shor-algoritmi tekijöiden laskentaan voidaan suorittaa erittäin tehokkaasti", Fellner selittää.
Uusi konsepti tarjoaa myös tehokkaan laitteistotason virheenkorjauksen.
Kvantti-informaation suojaamiseen on käytettävä merkittäviä resursseja, mikä lisää huomattavasti tarvittavien kubittien määrää.
"Mallimme toimii kaksivaiheisella virheenkorjauksella, yhden tyyppiset virheet (bitin vaihtovirhe tai vaihevirhe) estetään laitteistotasolla", sanovat Innsbruckin tutkimusryhmän jäsenet Anette Messinger ja Kilian Ender. Tähän on jo olemassa alustavia kokeellisia lähestymistapoja eri alustoilla.
"Toinen virhetyyppi voidaan havaita ja korjata ohjelmiston kautta", Messinger ja Ender jatkavat. Tämä mahdollistaisi seuraavan sukupolven universaalien kvanttitietokoneiden toteuttamisen hallittavalla vaivannäöllä.
Tuttu piitekniikka houkuttelee
UNSW Sydneyn kvanttilaskennan insinöörit ovat asettaneet uuden standardin piitekniikkansa suorituskyvylle. He osoittivat, että "spin-kubitit" voivat säilyttää informaatiota jopa kaksi millisekuntia. Tämä koherenssiajan saavutus on sata kertaa pidempi kuin aiemmat vertailuarvot samassa kvanttiprosessorissa.
Pidempi koherenssiaika tarkoittaa, että silloin kvantti-informaation on pidempään tallessa ja se on se mitä tarvitset kvanttioperaatioita tehdessäsi”, sanoo tohtoriopiskelija Amanda Seedhouse.
Tehtävästä tekee entistä haastavamman se, että tulevaisuuden toimivien kvanttitietokoneiden on toimittava miljoonien kubittien tasolla.
Viime vuoden lopulla sama UNSW Sydneyn tiimi ratkaisi teknisen ongelman kuinka käsitellä miljoonia kubitteja aiheuttamatta lisää lämpöä ja häiriöitä. Sen sijaan, että olisi lisätty tuhansia pieniä antenneja ohjaamaan miljoonia elektroneja magneettisilla aalloilla, tutkimusryhmä keksi tavan käyttää vain yhtä antennia kaikkien sirun kubittien ohjaamiseksi.
Tämä ratkaisi tilan, lämmön ja kohinan ongelman, joka väistämättä lisääntyisi, kun yhä useammat kubitit otetaan käyttöön.
Miljoonien kubittien ohjaaminen yhdellä antennilla oli suuri edistysaskel mutta kvanttilaskennassa on manipuloitava kubitteja myös yksittäin.
"Ensin osoitimme teoreettisesti, että voimme parantaa koherenssiaikaa pyörittämällä kubitteja jatkuvasti ", Ingvild Hansen sanoo. Seuraava haaste oli tehdä protokollasta vankempi ja osoittaa, että globaalisti ohjattuja elektroneja voidaan ohjata myös yksittäin.
Tämä saavutettiin luomalla tiimin "SMART"-kubittiprotokollaksi kutsuma protokolla – Sinusoidally Modulated, Always Rotating and Tailored.
Menetelmässä yksittäinen kubitti saadaan toimimaan eri tempossa mutta liikkumaan samassa rytmissä.
Näin kubittia voidaan paitsi ohjata yksilöllisesti (elektronisesti) globaalin ohjauksen vaikutuksen alaisena (magneettisesti), mutta myös koherenssiaika on olennaisesti pidempi ja soveltuu kvanttilaskelmiin.
Tutkijoiden mukaan "SMART-protokolla on mahdollinen polku täysimittaisille kvanttitietokoneille.
Piitekniikan hienosäätöä
Delftin teknillisen yliopiston ja TNO:n yhteistyönä toimivan QuTechin tutkijat ovat kehittäneet ennätysmäärän eli kuusi piipohjaista spin-kubittia täysin yhteentoimivaksi ryhmäksi.
Tärkeää on, että kubitteja voidaan käyttää alhaisella virhesuhteella, joka saavutetaan sirusuunnittelulla, automaattisella kalibrointimenettelyllä ja uusilla kubittien alustus- ja luentamenetelmillä. Nämä edistysaskeleet edistävät skaalautuvaa piipohjaista kvanttitietokonetta.
Eri materiaaleista voidaan valmistaa kubitteja, klassisen tietokoneen bitin kvanttianalogia, mutta vielä ei tiedetä, mikä materiaali osoittautuu parhaaksi suuren mittakaavan kvanttitietokoneen rakentamiseen.
"Kvanttilaskennan haaste nykyään koostuu kahdesta osasta", selitti tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Stephan Philips. "On kehitettävä riittävän laadukkaita kubitteja ja arkkitehtuuria, joiden avulla voidaan rakentaa suuria kubittijärjestelmiä.
Tutkijoiden mukaan heidän työ tukee molempia aiheista ja tutkimusartikkeli osoittaa, että huolellisella suunnittelulla on mahdollista kasvattaa piin spin-kubittien määrää säilyttäen samalla tarkkuuden kuin yksittäisillä kubiteilla.
Uusia konsteja
Käytännön edistymisestä huolimatta kvanttitietokoneen perusteita haetaan edelleen erilaisin uusienkin kvanttiteknisin ratkaisuin.
Esimerkiksi Max Planck Institute for Quantum Opticis (MPQ) ja sieltä syntyneen planqc – yhtiön tavoitteena on tuottaa muutaman sadan kubitin huonelämmössä toimiva kvanttisimulaattori. Se perustuisi neutraalien atomien kubitteihin, joita hallitaan lasersäteiden kautta erityisessä optisessa resonaattorissa. Idean taustalla on kvanttikaasumikroskopia, jota MPQ on kehitellyt jo vuosien ajan lähinnä alan tieteellistä tutkimusta varten.
Skaalautuvuuden saavuttaminen kvanttiprosessoreissa, antureissa ja verkoissa vaatii uusia laitteita, joita on helppo manipuloida kahden kvanttitilan välillä.
Berkeleyn tutkijat ovatkin syntetisoineet rakenteen, joka tehtiin toistensa suhteen kierretyistä kuusikulmaisen boorinitridin kerroksista. Kierretyssä rajapinnassa syntyy viritettäviä värikeskuksia, jotka voidaan kytkeä päälle ja pois päältä yksinkertaisella kytkimellä.
"Tämä on ensimmäinen askel kohti värikeskusrakennetta, jonka insinöörit voisivat rakentaa tai mukauttaa todellisiksi kvanttijärjestelmiksi", sanoo Shaul Aloni, tutkija Berkeley Lab's Molecular Foundrysta, joka johti tutkimusta.
Tutkimus voisi esimerkiksi johtaa uuteen tapaan tehdä kvanttibittejä eli kubitteja.
Tokion yliopistossa on puolestaan tutkittu tyhjiöön loukutettua elektronin liiketilaa. Aihe kiinnostaa tutkijoita, sillä se tarjoaisi mahdollisia ratkaisuja joihinkin kvanttilaskennan kubittien rajoituksiin.
Tutkijat esittävät ensimmäistä kertaa menetelmiä näiden ongelmien ratkaisemista hyödyntämällä hybridi-kvanttijärjestelmiä, joissa on elektroni-suprajohtava piiri ja elektroni-ionikytketyt järjestelmät.
He pystyivät osoittamaan näissä molemmissa järjestelmissä, että perustilan jäähdytys ja yksittäisen fononin lukema loukkuun jääneen elektronin liiketilasta ovat mahdollisia. Tutkijoiden mukaan työ valaisee tapaa hallita tarkasti loukkuun jääneiden elektronien liiketiloja, mikä tarjoaa mielenkiintoisen pelikentän kvanttiteknologioiden kehittämiselle.
Marraskuu 2022