Veijo Hänninen

Piitä ja virheenkorjausta

Piitekniikan saavutukset ovat innostaneet myös kvanttitietotekniikan kehittäjiä tavoittelemaan vastaavia saavutuksia.

Australialaistutkijoiden johdolla on nyt osoitettu, että lähes virheetön kvanttilaskenta on piillä mahdollista, mikä avaa tietä nykyisen puolijohdevalmistustekniikan kanssa yhteensopivien kvanttilaitteiden rakentamiselle.

"Uusien tutkimusjulkaisujen mukaan laitteidemme toimintamme oli 99-prosenttisesti virheetöntä", sanoo UNSW Sydneyn professori Andrea Morello, joka johti työtä kumppaneiden kanssa Yhdysvalloista, Japanista, Egyptistä sekä USA:sta ja Melbournen yliopistosta.

”Kun virheet ovat niin harvinaisia, on mahdollista havaita ja korjata ne, kun ne tapahtuvat. Tämä osoittaa, että on mahdollista rakentaa kvanttitietokoneita, joissa on tarpeeksi mittakaavaa ja tarpeeksi tehoa mielekkään laskennan suorittamiseen.

Ryhmän tavoitteena on rakentaa niin sanottu "universaali kvanttitietokone", joka ei olisi vain johonkin sovellukseen liittyvä. "Tämä tutkimus on tärkeä virstanpylväs matkalla, joka vie meidät perille", professori Morello sanoo.

Professori Morellon artikkeli on yksi kolmesta Nature -lehdessä julkaistusta artikkelista, jotka vahvistavat itsenäisesti, että kestävä ja luotettava piin kvanttilaskenta on nyt todellisuutta.

Morello kollegoineen saavuttivat yhden kubitin toimintatarkkuuden jopa 99,95 prosenttia ja kahden kubitin tarkkuuden 99,37 prosenttia kolmen kubitin järjestelmällä, joka koostuu elektronista ja kahdesta fosforiatomista, jotka on lisätty piihin ioni-istutuksella.

Lieven Vandersypenin johtama Delft-tiimi Alankomaissa saavutti 99,87 prosentin yhden kubitin ja 99,65 prosentin kahden kubitin tarkkuuden käyttämällä kvanttipisteiden elektronin spinejä, jotka muodostettiin pii- ja pii-germanium-seoksesta (Si/SiGe).

Seigo Taruchan johtama RIKEN-tiimi Japanista saavutti vastaavasti 99,84 prosentin yhden kubitin ja 99,51 prosentin kahden kubitin tarkkuuden kahden elektronin järjestelmässä käyttämällä Si/SiGe-kvanttipisteitä.

UNSW:n ja Delftin tiimit sertifioivat kvanttiprosessoreidensa suorituskyvyn käyttämällä hienostunutta menetelmää, nimeltään gate set tomography, joka on kehitetty Sandia National Laboratoriesissa Yhdysvalloissa ja tuotu avoimesti tutkimusyhteisön saataville.

Professori Morello on aiemmin osoittanut, että hän pystyi säilyttämään kvantti-informaatiota piissä 35 sekuntia ydinspinien äärimmäisen ympäristöstään eristämisen ansiosta. Mutta sitten se ei voinut olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, mikä on tarpeen todellisten laskelmien suorittamiseksi.

Uudessa artikkelissa kuvataan, kuinka hänen tiiminsä voitti tämän ongelman käyttämällä elektronia, joka kattaa kaksi fosforiatomin ydintä.

"Jos sinulla on kaksi ydintä, jotka on kytketty samaan elektroniin, voit saada ne suorittamaan kvanttioperaation", sanoo Mateusz Mądzik, yksi kokeen johtavista kirjoittajista.

"Vaikka et käytä elektronia, nuo ytimet tallentavat kvantti-informaationsa turvallisesti. Mutta nyt sinulla on mahdollisuus saada ne keskustelemaan toisilleen elektronin välityksellä toteuttaakseen universaaleja kvanttioperaatioita, jotka voidaan mukauttaa mihin tahansa laskennalliseen ongelmaan."

Elektronia siirrellen

"Tämä on todella vapauttava tekniikka", sanoo tohtori Serwan Asaad, toinen johtava kokeellinen kirjoittaja. "Ydinspinit ovat tässä kvanttiprosessorin ydin. Jos lomitat ne elektroniin, elektroni voidaan sitten siirtää toiseen paikkaan ja lomittaa toisen kubittiytimen kanssa kauempana, mikä avaa tien suurille kubittiryhmille, jotka pystyvät tekemään vankkoja ja hyödyllisiä laskelmia.

Professori David Jamieson, Melbournen yliopiston tutkimusjohtaja, sanoo: "Fosforiatomit lisättiin piisiruun ioni-istutuksella, samalla menetelmällä, jota käytetään kaikissa nykyisissä piitietokonesiruissa. Tämä varmistaa, että kvanttiläpimurtomme on yhteensopiva laajemman puolijohdeteollisuuden kanssa."

Professori Morello selittää: "Tyypillisesti tarvitset alle yhden prosentin virheprosentin, jotta voit soveltaa kvanttivirheen korjausprotokollia. Kun tämä tavoite on nyt saavutettu, voimme alkaa suunnitella piikvanttiprosessoreja, jotka skaalautuvat ja toimivat luotettavasti hyödyllisiä laskelmia varten.

Piipuolijohteiden spin-kubitit ovat hyvässä asemassa tullakseen luotettavien kvanttitietokoneiden alustaksi. Ne ovat riittävän vakaita säilyttämään kvanttitietoa pitkiä aikoja ja niitä voidaan skaalata käyttämällä tekniikoita, jotka ovat tuttuja olemassa olevasta kehittyneestä puolijohteiden valmistustekniikasta.

"Tähän asti haasteena on kuitenkin ollut kvanttilogiikan operaatioiden suorittaminen riittävän suurella tarkkuudella", professori Morello sanoo.

"Jokainen kolmesta nyt julkaistusta tutkimuspaperista osoittaa, kuinka tämä haaste voidaan voittaa siinä määrin, että virheet voidaan korjata nopeammin kuin ne ilmenevät."

Reaaliaikaista virheenkorjausta

Quantinuumin (entinen Honeywell Quantum Solutions) tutkijaryhmä on toteuttanut ensimmäisen kokeellisen esityksen kvanttivirheenkorjauskoodista, joka pystyy havaitsemaan virheet ja korjaamaan ne laskennan aikana sekä osoittamaan kyvyn mielivaltaisesti toistaa tällainen korjattu kvanttilaskenta.

Loukkuun jääneet ionit saavuttivat vaikeiden ongelmien ratkaisuissa vaadittavat 99,9 ja 99,99 prosentin virheettömyysrajansa jo vuonna 2016.

Quantinuumin uudessa asennuksessa käytetään seitsemää ioniloukkuun jäävää kubittia yhden loogisen kubitin koodaamiseen ja kolmea ylimääräistä ioniloukkuun jäävää kubittia virheiden havaitsemiseen. Klassinen tietokone käsittelee nopeasti kolmen ylimääräisen kubitin tekemät mittaukset määrittääkseen, onko koodattu kubitti virheellinen. Jos on, klassinen tietokone määrittää korjausoperaatioita koodatun kubitin korjaamiseksi.

Tärkeää on, että tämä klassisen ja kvanttiprosessorin välinen vuorovaikutus tapahtuu ajon aikana ja se päättyy nopeasti verrattuna mihin tahansa prosessiin, joka saattaisi turmella koodatun kubitin, mahdollistaen siten laskennan edetä.

Vaikka virhetasomme eivät vielä ole hyödyllisten kvanttilaskennan vaatiman tason alapuolella, kokeen yksityiskohtaiset simulaatiot antavat tutkijoille mahdollisuuden tunnistaa tärkeimmät virhelähteet, kuten vuodot ja vaiheistuksen. Kehittämämme työkalut voivat tarjota oppaan näiden virheiden lieventämiseen, mikä tasoittaa tietä todella laajamittaiselle kvanttilaskennalle, kertovat tutkijat.

Kvanttilaskennan läpimurto virheenkorjauksessa

Myös ETH Zürichin tutkijat ovat onnistuneet korjaamaan automaattisesti kvanttijärjestelmien virheitä siinä määrin, että kvanttioperaatioiden tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä.

Aiemmat virheenkorjausmenetelmät eivät ole kyenneet havaitsemaan ja korjaamaan samanaikaisesti molempia kvanttijärjestelmissä esiintyviä perusvirheitä. Andreas Wallraffin tiimi on nyt esitellyt ensimmäisen järjestelmän, joka pystyy toistuvasti havaitsemaan ja korjaamaan bitti ja phase-flip -virheet.

Tutkijat saavuttivat tämän tärkeän menestyksen käyttämällä ETH Zürichin puhdastilalaboratoriossa valmistettua sirua jossa on yhteensä 17 suprajohtavaa kubittia. Tutkimusryhmä suoritti virheenkorjauksen ns. pintakoodi menetelmällä, jossa kubitin kvantti-informaatio jaetaan useille fyysisille kubiteille.

Yhdeksän sirun 17 kubitista on järjestetty neliön kolmikertaiseen hilaan ja muodostavat yhdessä niin sanotun loogisen kubitin: kvanttitietokoneen laskentayksikön. Loppujen kahdeksan kubitin tehtävänä on havaita järjestelmän virheet.

Seuraavana askeleena ETH-tutkijat haluavat nyt rakentaa sirun, jossa on viisi kertaa viiden kubitin hila, joka vaatii vastaavasti monimutkaisempaa tekniikkaa ja sisältää myös enemmän kubitteja virheiden korjaamiseen.

Suprajohdekubitteja siivoten

Suprajohdekubitit saavuttivat tarvittavat 99,9 ja 99,4 prosenttiset virheettömyysrajansa jo vuonna 2012.

Aalto yliopiston tutkijat ovat todistaneet kvanttitietokonetta häiritsevien kvasihiukkasten kadottamisen.

Kokeissa harmilliset kvasihiukkaset eli parittomat elektronit pysyivät poissa sekunteja, mikä on enemmän kuin tarpeeksi suprajohtavan kvanttibitin operaatioihin. Tulos on merkittävä askel kohti virheettömästi toimivia suprajohteisiin perustuvia kvanttitietokoneita.

Suprajohtavuus ja siten kubittien suorituskyky heikkenee, jos suprajohteissa on Cooperin parien lisäksi pariutumattomia elektroneja eli kvasihiukkasia.

”Vaikka kvasihiukkasia olisi vain yksi miljardia Cooperin paria kohden, se rajoittaa kvanttibittien suorituskykyä eikä kvanttitietokone voi toimia virheettömästi. Jos pariutumattomia hiukkasia on enemmän, myös kubitin elinikä on lyhyempi”, sanoo Aallossa kvasipartikkeleita tutkinut Elsa Mannila.

”Kvasihiukkasista halutaan aina eroon. Tutkimus on siten olennainen askel ideaalisesti toimivien suprajohtavien laitteiden rakentamisessa”, kertoo professori Jukka Pekola.

Tutkijat seurasivat tutkimuksessa Cooperin pareja yhteensä yli sadan päivän ajan. He pystyivät mittaamaan sähkövarausta reaaliaikaisesti ja äärimmäisen tarkasti yhden yksittäisen elektronin tasolla.

Erikoispiirit apuun

EPFL:n insinöörit ovat kehittäneet menetelmän useiden kubittien lukemiseen samanaikaisesti.

Professori Edoardo Charbonin johtama insinööriryhmä on yhteistyössä Yhdistyneen kuningaskunnan tutkijoiden kanssa kehittänyt lupaavan menetelmän murtaakseen tämän teknologisen esteen.

Kubittien määrää rajoittaa tällä hetkellä sekin tosiasia, että vielä ei ole saatavilla tekniikkaa, joka pystyisi lukemaan kaikki kubitit nopeasti”, Charbon sanoo. Asiaa mutkistaa entisestään, että kubitit toimivat lämpötiloissa, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa. Se tekee niiden lukemisesta ja hallitsemisesta entistä vaikeampaa.

Charbonin laboratorion tohtoriopiskelija Andrea Ruffino on kehittänyt menetelmän, jonka avulla voidaan lukea yhdeksän kubittia samanaikaisesti ja tehokkaasti. Lisäksi hänen lähestymistapansa voitaisiin skaalata suurempiin kubittimatriiseihin.

"Menetelmämme perustuu aika- ja taajuusalueiden käyttöön", hän selittää. "Perusideana on vähentää yhteyksien määrää antamalla kolmen kubitin toimia yhdellä sidoksella."

”Se on todellinen läpimurto, joka voi johtaa suurten kubittimatriisien järjestelmiin, jotka on integroitu tarvittavaan elektroniikkaan. Nämä kaksi teknologiatyyppiä voisivat toimia yhdessä yksinkertaisesti, tehokkaasti ja toistettavalla tavalla."

MIT:n Twist

Kvanttitietokoneiden ohjelmointi vaatii tietoisuutta lomittumisesta. Ohjelmoinnissa yhden kubitin hylkääminen huomioimatta sen lomittumista toiseen kubittiin voi tuhota toiseen tallennetun datan ja vaarantaa ohjelman oikeellisuuden.

Siten lomittumisen laskennallinen voima on yhtä paljon myös heikkouden lähde.

MIT:n Computer Science and Artificial Intelligence (CSAIL) -tutkijat pyrkivät selvittämään asiaa luomalla oman ohjelmointikielen kvanttilaskentaa varten nimeltä "Twist". Twist voi kuvailla ja tarkistaa, mitkä osat dataa ovat lomittuneet kvanttiohjelmaan klassisen ohjelmoijan ymmärtämällä kielellä.

"Twist antaa kehittäjälle mahdollisuuden kirjoittaa turvallisempia kvanttiohjelmia ilmoittamalla selvästi, milloin kubittia ei saa lomittaa toiseen", sanoo MIT:n tohtoriopiskelija Charles Yuan.

Tärkeä seuraava askel on Twistin käyttö korkeamman tason kvanttiohjelmointikielten luomiseen. Useimmat kvanttiohjelmointikielet muistuttavat nykyään edelleen assemblyä, yhdistäen alemman tason operaatioita ilman tietoisuutta sellaisista asioista kuin tietotyypit ja funktiot ja siitä, mikä on tyypillistä klassiselle ohjelmistosuunnittelulle.

”Kvanttitietokoneet ovat virhealttiita ja vaikeita ohjelmoida. Esittelemällä ja perustelemalla ohjelmakoodin "puhtautta" Twist ottaa askeleen kohti kvanttiohjelmoinnin helpottamista takaamalla, että puhtaan koodin kvanttibittejä ei voida muuttaa biteillä, jotka eivät ole kyseisessä koodissa", Fred Chong sanoo.

Tammikuu 2022