Veijo Hänninen
Kvanttiklassista yhteistoimintaa
Kvanttitietokoneiden tekniikka löytää nykyään kumppanuuksia klassisesta tekniikasta. Kvanttimaailman tasolla operoidaan jo atomien parissa mutta tieteilijöiden katseet ovat syventyneet jo elektronien spinien tasolle.
Kvanttiedun osoittaminen on edelleen meriitti ja Googlen tutkijat ovat osoittaneet ensimmäisen todennettavissa olevan kvanttiedun. Sellainen osoitettiin OTOC-algoritmilla (out-of-order time correlator), jota yhtiö kutsuu kvanttikaiuiksi. (Quantum Echoes).
Näitä Kvanttikaikuja voidaan käyttää luonnon järjestelmien rakenteen oppimisessa, molekyyleistä magneetteihin ja mustiin aukkoihin, ja ne ovat osoittaneet, että se toimii Willow'lla 13 000 kertaa nopeammin kuin paras klassinen algoritmi yhdellä maailman nopeimmista supertietokoneista.
Erillisessä, periaatetodistuskokeessa, molekyyligeometrian kvanttilaskentaa monikappaleisten ydinspinkaikujen avulla, osoitettiin, kuinka uusi tekniikka – ”molekyyliviivain” – voi mitata pidempiä etäisyyksiä kuin nykyiset menetelmät käyttämällä ydinmagneettisen resonanssin (NMR) dataa josta saadaan sitten enemmän tietoa kemiallisesta rakenteesta.
Tämä on ensimmäinen kerta historiassa, kun mikään kvanttitietokone on onnistuneesti suorittanut todennettavissa olevan algoritmin, joka ylittää supertietokoneiden kyvyn.
Kvanttitodennettavuus tarkoittaa, että tulos voidaan toistaa paitsi Googlen kvanttitietokoneella tai millä tahansa muulla saman kaliiperin tietokoneella ja näin vahvistaa tuloksen. Tämä toistettavissa oleva, klassista laskentaa pidemmälle menevä verifiointi on skaalautuvan verifioinnin perusta, joka tuo kvanttitietokoneet lähemmäksi käytännön sovellusten työkaluja.
Uusi tekniikka toimii kuin erittäin kehittynyt kaiku. Kun lähetetään huolellisesti muotoillun signaalin kvanttijärjestelmään (esim. kubitteja Willow-sirulla), ja aiheutetaan yhden kubitin perturbaation ja käännetään sitten signaalin kehitys tarkasti päinvastaiseksi jolloin voi kuunnella takaisin tulevaa "kaikua".
Tämä kvanttikaiku on erityinen, koska sitä vahvistaa konstruktiivinen interferenssi – ilmiö, jossa kvanttiaallot kasautuvat voimistuakseen. Tämä tekee mittauksesta erittäin herkän.
Quantum Echoes -algoritmi edustaa uudenlaista haastetta, koska se mallintaa fyysistä kokeilua. Tämä tarkoittaa, että algoritmi testaa paitsi kompleksisuutta myös lopullisen laskennan tarkkuutta.
Siksi Goole kutsuu sitä "kvanttiverifioitavaksi", mikä tarkoittaa, että tulosta voidaan vertailla ja todentaa toisella samanlaatuisella kvanttitietokoneella.
Yksi läpimurron keskeisistä asioista onkin tulosten varmennus sillä aiempien kvanttietujen demonstraatiot ovat olleet niin monimutkaisia että vastauksen tarkistaminen on ollut lähes mahdotonta.
Ulkoistetaan virheenkorjausta
Myös IBM on saavuttanut läpimurron, joka vie kvanttilaskentaa merkittävästi lähemmäs käytännön sovelluksia.
Yhtiö on todistanut, että kvanttioperaatioiden virheenkorjaus voidaan suorittaa reaaliajassa huoneenlämpöisellä klassisella elektroniikalla. IBM:n tulos osoittaa, että kvanttilaskennan kriittiset tukijärjestelmät voivat perustua nykyiseen klassiseen teknologiaan.
Käytännössä IBM:n virheenkorjausta toteutettiin AMD:n valmistamalla Virtex UltraScale+ VU19P-FPGA -piirillä.
Nykytekniikkaa ryhtyvät hyödyntämään myös Oak Ridge National Laboratory supertietokoneineen ja NVIDIA.
ORNL:n Oak Ridge Leadership Computing Facilityssä (OLCF) laboratoriotutkijat hyödyntävät NVIDIA NVQLink- ja NVIDIA CUDA-Q -ohjelmointityökaluja, jotka on suunniteltu integroimaan klassisia laskentaklustereita kvanttiprosessoreihin ohjaustehtävien, kuten kvanttivirheiden korjauksen ja hybridikvanttiklassisten algoritmien suorittamisen.
Nyt myös Silicon Quantum Computing (SQC) ja NVIDIA ovat sopineet NVQLinkin käyttöönotosta.
Tällainen linkitys mahdollistaa SQC:lle kvanttiprosessoreiden (QPU) reaaliaikaisen orkestroinnin CPU:iden ja GPU:iden rinnalla.
NVIDIA kehitti NVQlinkin tuodakseen kvantti-tulevaisuuden lähemmäksi ja järjestelmien skaalautuessa tehokas integrointi tekoäly- ja supertietokoneiden kanssa mahdollistaa tehokkaan virheenkorjauksen.
Suorastaa atomitasoiseen tekniikkaan tukeutuva SQC on tänä vuonna esitellyt Groverin algoritmin neljän kubitin piiprosessorissaan vikasietoisen kynnyksen ylittäen. Nykyhetken vaatimattomasta kubittimäärästä huolimatta yhtiön tavoitteena on miljoona kubittia.
Tarkkuus ennen kaikkea
IonQ (aiemmin Oxford Ionics) on sen sijaan on julkaissut teknisiä artikkeleita, jotka osoittavat kahden kubitin portin 99,99 %:n tarkkuuden. Kyseessä on ensimmäinen raportoitu esimerkki kvanttilaskentayrityksestä, joka on ylittänyt "neljän ysin" rajan.
Tämä suorituskykymittari, joka mittaa kvanttioperaatioiden tarkkuutta, ylitti aiemman 99,97 %:n ennätyksen, joka asetettiin vuodelta 2024. Saavutus edistää yhtiön tiekarttaa kohti vikasietoista kvanttilaskentaa vähentämällä virheenkorjaukseen tarvittavaa lisätyötä.
IonQ arvioi, että tuloksena oleva suorituskyvyn kasvu tuottaisi 10 e10 - kertaisen suorituskyvyn parannuksen järjestelmään verrattuna, jonka tarkkuus on vain 99,9 %.
Parannetun tarkkuuden tarkoituksena onkin nopeuttaa yrityksen matkaa laajamittaisiin vikasietoisiin järjestelmiin.
Tutkimus- ja kehityslaboratorioissa esitelty teknologia muodostaa perustan IonQ:n 256-kubittisille järjestelmille, joiden demonstraatio on määrä tapahtua vuonna 2026.
Aikoinaan Oxford Ionicsin perustanut tohtori Chris Ballance, huomautti tiedotteessa, että 99,99 %:n kynnyksen ylittäminen standardissa puolijohdetehtaassa rakennetuilla siruilla luo selkeän suunnan skaalautumiselle miljooniin kubitteihin.
Kylmässäkin lämpenee
Kvanttitietokoneet vaativat nykyään tyypillisesti toimintaa erittäin alhaisissa, lähellä 10 millikelviniä olevissa lämpötiloissa, mikä aiheuttaa vakavia skaalaushaasteita lämmön haihtumisen vuoksi.
EeroQ, elektroni-helium -teknologian uranuurtaja kvanttilaskentayritys on kertonut merkittävästä saavutuksesta: ensimmäisestä demonstraatiosta yksittäisten elektronien ohjaamisesta ja havaitsemisesta supranestemäiseen heliumin yli 1 Kelvinin lämpötiloissa. Täten tarvittavat toiminnot voidaan tehdä yli 100 kertaa korkeammissa lämpötiloissa
”Tämä läpimurto vahvistaa, että elektroni-helium-kubitteja voidaan mahdollisesti manipuloida ja lukea korkeammissa lämpötiloissa kuin aiemmin on ajateltu mahdolliseksi, mikä vähentää keskeistä estettä skaalautuvalle kvanttilaskennalle”, sanoo Johannes Pollanen, EeroQ:n perustajajäsen ja tiedejohtaja.
EeroQ:n lähestymistapa – yksittäisten elektronien kelluttaminen supranestemäisen heliumin pinnalla – hyödyntää yhtä fysiikan puhtaimmista ympäristöistä mahdollistaakseen vakaat, pitkän koherenssin kubitit.
Turhautumista vai uutta näkökulmaa
Voisiko kvanttilaskennan tulevaisuus piileksiä elektronien spinien salaperäisessä tanssissa äärimmäisen paineen alla?
Yksi kiehtovimmista ehdokkaista on kvanttispinneste – aineen olomuoto, jossa elektronien spinit eivät koskaan vakiinnu, ei edes maailmankaikkeuden kylmimmissä lämpötiloissa. Tähän mennessä tällaisen kvanttitilan valmistaminen laboratoriossa on kuitenkin osoittautunut sitkeän vaikeaksi saavuttaa.
Argonne National Laboratoryn tutkijat raportoivat nyt pääsevänsä houkuttelevan lähelle tätä tavoitetta.
Kvanttispinnesteiden materiaaleissa ei ole kyse atomeista, jotka pysyvät nestemäisinä kuten tavallisessa nesteessä, vaan elektronien spineistä. Jokainen spin haluaa "tulla toimeen" naapureidensa kanssa järjestäytymällä tavalla, joka pitää kaikki tyytyväisinä.
Mutta kun spinit paineen alla pusketaan lähemmäs toisiaan, kaikkien naapureiden tyydyttäminen tulee mahdottomaksi. Tuloksena on eräänlainen magneettinen umpikuja – jota kutsutaan turhautumiseksi – jossa spinit eivät enää voi asettua mihinkään kiinteään tilaan. Tuloksena on jatkuva, kietoutunut vaihtelevien spinien tanssi, jopa lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytettynä.
”Tämän kvanttispin-tilan saavuttaminen olisi merkittävä virstanpylväs”, sanoi Eduardo Poldi, jatko-opiskelija Illinoisin yliopistosta.” Jotkut kvantti-spinnesteet voisivat toimia uutena alustana kubiteille.”
>Uusimmassa kokeessaan Argonnen Advanced Photon Source (APS) –laitoksessa, tiimi kiinnitti huomionsa kiteiseen materiaaliin, jonka uskotaan mahdollisesti sisältävän spinnesteen ainesosat. Se on natriumia, kobolttia ja antimonia (NCSO) sisältävä oksidi.
Materiaalilla on erityisominaisuuksia: Sen kobolttiatomit muodostavat hunajakennomaisen kuvion, kuten mehiläispesän. Tällä rakenteella on keskeinen rooli. Elektronispinit pyrkivät asettumaan kohtisuoraan hunajakennojen jokaisen solun reunoihin nähden, mutta pisteissä, joissa kolme reunaa kohtaavat, kaikki spinit eivät pysty asettumaan tyydyttämään naapureitaan – mikä luo frustraatiotilan (katso kuva).
Teoreettiset mallit ennustavat, että tämä frustraatio voi isännöidä kvanttispinnestettä, jolla on topologinen suoja, joka voisi auttaa suojaamaan hauraita kvanttitiloja – olennainen askel kohti vakaita kvanttiteknologioita.
”Paine tarjoaa keinon vähentää atomien ja niiden elektronien välistä etäisyyttä”, sanoi APS:n fyysikko Gilberto Fabbris.” Säätämällä tuota etäisyyttä voimme ajaa magneettisen kiteen turhautuneeseen tilaan. Tietyssä äärimmäisessä paineessa magnetismi katoaa – ja spinneste tulee esiin.”
”Tällaisen kvanttispin-tilan saavuttaminen olisi merkittävä virstanpylväs. Jotkin kvanttispin-nesteiden tyypit voisivat toimia uudenlaisena kubittina, kvanttitietokoneen perusrakenneosina,” toteaa Eduardo Poldi.
”Topologisesti suojatut kvanttispinnesteet tarjoavat jännittävän polun sellaisten kubittien rakentamiseen, jotka ovat luonnostaan suojattuja ulkopuolisilta häiriöiltä”, ryhmänjohtaja Daniel Haskel sanoi. Se, mikä alkoi perusfysiikan kokeena, voi nyt viitoittaa kohti uutta reittiä vakaampien ja vikasietoisempien kvanttiteknologioiden rakentamiseen.
Marraskuu 2025