Veijo Hänninen

Yhä tarkempia kvanttibittejä

Kvanttitietokoneen perusta eli kubitit ovat edelleen intensiivisen kehitystyön kohteena. Jo vakiintuneista kehitetään yhä parempia mutta aivan uusiakin kehitystöitä tulee esiin samalla kun paneudutaan jo loogistenkin kubittien kehittelyyn.

Suprajohtavat kubitit ovat yksi käytetyimmistä mutta nyt niitäkin voidaan kuvata tarkemmin äskettäin löydettyjen harmonisten ominaisuuksien avulla.

Forschungszentrum Jülichin ja Karlsruhen teknillisen korkeakoulun fyysikot ovat paljastaneet, että Josephsonin tunneliliitokset – suprajohtavien kvanttitietokoneiden perusrakennusosat – ovat monimutkaisempia kuin aiemmin on ajateltu.

Aivan kuten yliäänet soittimissa, harmoniset asettuvat päällekkäin perusmoodin kanssa ja tämän löydön seurauksena tehdyt korjaukset voivat johtaa kvanttibitteihin, jotka ovat 2-7 kertaa vakaampia.

"On jännittävää, että mittaukset ovat saavuttaneet tarkkuustason, jolla voimme ratkaista nämä pienet korjaukset malliin, jota on pidetty aivan riittävänä yli 15 vuotta", tohtoriopiskelija Dennis Rieger huomauttaa.

"Välittömänä seurauksena uskomme, että Josephsonin harmoniset auttavat suunnittelemaan parempia ja luotettavampia kvanttibittejä vähentämällä virheitä suuruusluokkaan asti, mikä vie meidät askeleen lähemmäksi unelmaa täysin universaalista suprajohtavasta kvanttitietokoneesta", kommentoivat tutkijat aihetta yliopistojensa sivuilla.

Kukkaiskansan kubitti

"Suprajohtavan kubitin, joka perustuu kierrettyjen kupraattihiutaleiden van der Waals heterorakenteeseen ovat saaneet aikaan Italian kansallisen tutkimusneuvoston (ISC-CNR), Terra Quantumin, Max Plank Instituten, Dresdenin yliopiston sekä Napolin yliopiston ja New York City Collegen tutkijat.

Tutkimustyö osoittaa, että atomiohuiden suprajohtavien kiteiden suhteellinen kierre, jotka muodostavat Josephson-liitoksen 45 asteen kulmaan, luo erityisen liitoksen, joka säilyttää korkean koherenssin ilman vaatimuksia erittäin tarkasta valmistuksesta, järjestelmän virityksestä tai piirisilmukoiden ohjauksesta välttääkseen alttiuden käyttöympäristönsä haitallisille häiriöille eli kohinalle.

"Yksinkertaisempi valmistus ja viritys pidemmillä koherenssiajoilla tekevät flowermon -kubitista lupaavan prototyypin uudelle hybridilaitteiden luokalle, toteaa Markus Pflitsch, Terra Quantumin toimitusjohtaja. "Tämä materiaalitieteen ja kvanttitiedon edistysaskel edistää kvanttilaitteiden skaalautuvuutta kohti mielekkäitä sovelluksia."

Josephson-liitokset, jotka muodostuvat kahdesta suprajohtavasta materiaalista, jotka on erotettu toisistaanohuella esteellä, ovat suprajohtavien kvanttitietokoneiden perusrakennuspalikoita. Muut korkeat koherenssiajat tarjoavat kubittityypit luottavat usein useisiin liitoskohtiin vuosilmukassa, mikä tekee niistä herkkiä kohinalle ja valmistusvirheille.

”Kukkamon” luodaan kiertämällä kahta Bi2212-hiutaletta, korkean lämpötilan kupraattisuprajohdetta 45 asteen kulmaan, jolloin syntyy energiaspektrin kukkamainen muoto. Tämä erityinen kulma vaimentaa yhden elektroniparin tunnelointia liitoksen poikki, jolloin kahden parin tunnelointi hallitsee liitoksen käyttäytymistä.

Kun yhden parin tunnelointi sijoittaa alhaisen energian kubitin tilat yhteen kaivoon, kahden parin tunnelointi levittää kubitin tilat kahteen kaivoon. Tämä tekee kubitista vähemmän herkän ympäristövaikutuksille, mukaan lukien varauskohina ja kvasihiukkasten hajoaminen. Herkkyyden vaimeneminen vähentää eksponentiaalisesti tämäntyyppisistä kohinoista johtuvaa dekoherenssia.

Kohti topologista kubittiratkaisua

Uusi materiaaliyhdistelmä, jonka on luonut Penn Staten tutkijoiden johtama ryhmä, voisi myös tarjota alustan tutkia fyysistä käyttäytymistä, joka tunnetaan nimellä kiraaliset Majoranat, joka voisi olla yksi lupaava komponentti kvanttilaskentaan.

Kun suprajohteita yhdistetään materiaaleihin, joita kutsutaan magneettisiksi topologisina eristeiksi – ohuisiin, vain muutaman atomin paksuisiin kalvoihin, jotka on tehty magneettisiksi ja jotka rajoittavat elektronien liikkumista reunoilleen – kunkin komponentin uudet sähköiset ominaisuudet toimivat yhdessä tuottaen "kiraalisia topologisia suprajohtimia".

Topologia tai aineen erikoistuneet geometriat ja symmetriat synnyttävät suprajohteessa ainutlaatuisia sähköilmiöitä, jotka voivat helpottaa topologisten kvanttitietokoneiden rakentamista.

Topologiset kvanttitietokoneet parantavat edelleen kvanttilaskentaa hyödyntämällä sähköisten ominaisuuksien järjestämistä, jotta tietokoneet olisivat kestäviä dekoherenssille tai informaation menetykselle, joka tapahtuu, kun kvanttijärjestelmä ei ole täysin eristetty.

"Kiraalisten topologisten suprajohteiden luominen on tärkeä askel kohti topologista kvanttilaskentaa, jollaista voitaisiin saada laajaan käyttöön", sanoi Cui-Zu Chang, fysiikan apulaisprofessori ja vastaava kirjoittaja paperi.

"Kiraalinen topologinen suprajohtavuus vaatii kolme aineosaa: suprajohtavuuden, ferromagnetismin ja ominaisuuden, jota kutsutaan topologiseksi järjestykseksi. Tässä tutkimuksessa teimme järjestelmän, jolla on kaikki nämä kolme ominaisuutta."

"Kokeellisten todisteiden tarjoaminen kiraalisen Majoranan olemassaolosta on kriittinen askel topologisen kvanttitietokoneen luomisessa", Chang sanoi. "Alallamme on ollut kivinen menneisyys näiden vaikeasti havaittavien hiukkasten löytämisessä, mutta mielestämme tämä on lupaava alusta Majoranan fysiikan tutkimiseen."

Adiabaattisesti menestykseen

Osakan yliopiston tieteellisen ja teollisen tutkimuksen instituutin (SANKEN) tutkijat käyttivät adiabaattisuuden menetelmän (STA) oikoteitä nopeuttaakseen huomattavasti spin-kubittien adiabaattista kehitystä.

Perinteinen menetelmä kvanttitilojen muuttamiseen käyttää pulssiohjausta, joka on herkkä kohinalle ja ohjausvirheille. Sitä vastoin adiabaattinen evoluutio voi aina pitää kvanttijärjestelmän ominaistilassaan. Se kestää kohinaa mutta vaatii tietyn ajan.

SANKEN-tiimi käytti STA-menetelmää nopeuttaakseen merkittävästi spin-kubittien adiabaattista kehitystä portin määrittämissä kvanttipisteissä ensimmäistä kertaa.

Heidän käyttämänsä teorian ehdottivat tiedemies Xi Chen. "Käytimme STA:n siirtymätöntä kvanttiajotyyliä, jolloin järjestelmä pysyi aina ihanteellisessa ominaistilassaan nopeassakin kehityksessä." toinen kirjoittaja Takafumi Fujita selittää.

Tutkijat toivovat löytävänsä menetelmällään yksinkertaisemman ja käyttökelpoisemman ratkaisun vikasietoisen kvantti-informaation käsittelyyn.

Apuna on se, että lupaavana kvanttilaskennan ehdokkaana porttimääritellyillä kvanttipisteillä on pitkät koherenssiajat ja hyvä yhteensopivuus nykyaikaisen puolijohdeteollisuuden kanssa.

Cooper-parien jakaminen tarpeen mukaan

Monet kvanttitekniikat perustuvat lomittuneiden hiukkasten erottamiseen ja tutkimiseen. Suprajohteiden mukana tulee jo pareittain lomittuneita elektroneja – Cooper-pareja, jotka antavat näille materiaaleille niiden kuljetusominaisuudet.

Niiden purkaminen ja erottaminen tarpeen mukaan on kuitenkin haaste. Nyt teoreetikko Christian Flindt Aalto-yliopistosta ja hänen työtoverinsa ovat osoittaneet, että Cooper-parien jakamista voidaan ohjata tarkasti ajasta riippuvilla jännitteillä.

Olemassa olevissa Cooper-parin jakajissa nämä elektronit, kun ne ovat jakautuneet, tunneloituvat erillisiksi kvanttipisteiksi tai keinotekoisiksi atomeiksi. Tämä prosessi on kuitenkin osoittautunut kohisevaksi, hallitsemattomaksi ja siksi sopimattomaksi useimpiin sovelluksiin.

Flindt ja hänen työtoverinsa ehdottavat uutta tapaa tehdä Cooper-parien jakamisesta paljon luotettavampaa.

Avain heidän ehdotetun laitteensa toimintaan on sen elektrodien moniajossa, jotka määrittävät kaksi kvanttipistettä, yksi suprajohtavan liuskan kummallakin puolella. Nämä elektrodit vetävät Cooper-pareja suprajohteen kärkeen ja erottavat ne. Ne asettavat myös kahden kvanttipisteen energiatasot niin, että jokainen piste voi helposti vastaanottaa erotetun elektronin ennen sen välittämistä nanolangan läpi.

Tärkeää on, että toisella puolella oleviin elektrodeihin syötetty jännite vaihtelee jaksottaisesti ajassa siten, että täsmälleen kaksi Cooper-paria jakautuu ja emittoituu jokaisessa käyttöjaksossa.

Flindt ja hänen työtoverinsa arvioivat, että heidän on-demand- toiminen Cooper-parinjakaja voisi toimia gigahertsien alueella. He myös spekuloivat, että useiden tällaisten yhdistäminen voisi muodostaa kvanttitietokoneen perustan joka toimii lomittuneilla elektroneilla.

Yhteyksiä erittäin kylmän ja huonelämpötilan välille

Suprajohtavat piirit ovat kvanttilaskennan ja ultranopeiden logiikkapiirien lupaavimpia teknologioita. Haasteena on kuitenkin ollut löytää käytännöllinen tapa toimia näiden erittäin kylmiä lämpötiloja vaativien materiaalien kanssa.

Yalen yliopiston professori Hong Tangin johtama tutkijaryhmä on luonut käyttökelpoisen ratkaisun erittäin heikon signaalin siirtämiseen kryogeenisissä lämpötiloissa toimineesta tietokoneesta huoneenlämpöiseen elektroniikkaan nopealla datansiirrolla ja erittäin alhaisella energiankulutuksella.

Kuituoptiset linkit tarjoavat lupaavan vaihtoehdon nykyratkaisuille, koska niillä on sekä suuri kaistanleveys että pieni lämpökuorma. Suprajohtavien piirien tiukat vaatimukset tukahduttavat kuitenkin niiden kykyä käyttää fotoneja signaalien lukemiseen. Tämän esteen voittamiseksi tutkijat keksivät ratkaisun, jossa yhdistyvät parhaat puolet olemassa olevista teknologioista.

"Olemme rakentaneet laitteen, jota kutsumme suprajohtavaksi sähkö-optiseksi modulaattoriksi", sanoo tohtoriopiskelija Mohan Shen. "Tätä käyttämällä suoritimme parhaan tietomme mukaan ensimmäisen puhtaan optisen luennan tietyntyyppisestä suprajohtavasta piiristä, joka tunnetaan nopeana yhden vuon kvanttilaitteena."

Tutkijoiden seuraava askel on käyttää tekniikkaa yhdessä kubittien kanssa.

"Toivomme, että voimme käyttää tätä ratkaisua kvantti-informaation viemiseen kvanttitietokoneiden lämpötiloista klassiseen verkkoon", Tang sanoi.

Fujitsun ja QuTechin tutkijat ovat puolestaan kehittäneet uusia ja erittäin kylmiä olosuhteita kestäviä elektronisia CMOS-piirejä timanttipohjaisten kvanttibittien ohjailuun. Timanttikubiteilla on parempi tarkkuus ja ne voivat toimia hitusen korkeammassa lämpötilassa.

Tutkijat odottavat cryo-CMOS-teknologian antavan mahdollisuuden saavuttaa korkean skaalautuvuuden, jota odotetaan kvanttitietokoneissa saavutettavan käyttämällä timantin spin-kubitteja."

Kissoja ja loogisia kubitteja

Vaikka fyysistä kubiteista saadaan edelleen vähemmän virheherkkiä mutta niin kauan kun ei ole olemassa virheetöntä kubittia tarvitaan loogisia kubitteja, joiden avulla tehostaa virheenkorjausta.

Täten loogiset kubitit ovat keskeisiä kvanttivirheenkorjausmenetelmissä, joissa useat fyysiset kubitit lomittuvat koodaamaan yhtä loogista kubittia. Tämä koodaus mahdollistaa yksittäisten fyysisten kubittien virheiden havaitsemisen ja korjaamisen häiritsemättä loogiseen kubittiin tallennettua informaatiota.

Tätä kautta on sitten mahdollista luoda todella käyttökelpoinen kvanttitietokone. Nykyiset usein suoraan fyysisillä kubiteilla toimivat laiteratkaisut mahdollistavat vain varsin rajallisia tehtävätoteutuksia.

Mutta loogisten kubittien toteuttaminen hyvin toimivalla virheenkorjauksella vaatii kuitenkin vielä merkittäviä tutkimuspanoksia.

Yksi aihetta käsittelevä tutkimuslinja tutkii niin sanottuja kissakubitteja. Kun suprajohtava kubitti on aina yhdessä kvanttitilassa – superpositio 0 ja 1 -tiloista – niin kissakubitti on aina kahden kvanttitilan superpositiossa. Eli ollaan yhtä askelta syvemmällä kvantti-informaatiota käsiteltäessä.

Nimensä kissakubitti on saanut kuuluisasta Schrodingerin ajatusrakenteesta kissan ja kvanttifysiikan välisestä suhteesta.