Veijo Hänninen
Kvanttitietokoneiden virhekorjauksesta ja skaalauksesta
Tällä hetkellä kvanttitietokoneiden parissa ratkotaan virheiden korjauksiin ja skaalauksiin liittyviä ongelmia.
Kvanttitietokoneet toimivat korkeaulotteisessa tilassa ja hyödyntävät koherenssia, lomittumista ja muita eksoottisia kvantti-ilmiöitä. Tämän seurauksena ne ovat ainutlaatuisen herkkiä virheille aivan toisilla tavoilla kuin klassiset vastineet.
Virheiden voittaminen on myös keskeinen haaste onnistuneen laajamittaisen kvanttilaskennan toteuttamisessa.
Yksi yleisimmistä tavoista käsitellä kvanttitietokoneiden virheitä on prosessi nimeltä Quantum Error Correction (QEC). Tämä kvanttivirheiden korjaus on jo kultainen standardi, mutta se on tehokkain, kun virheitä esiintyy itsenäisesti kubittien välillä ja ajan kuluessa – eli kun virheillä on rajalliset korrelaatiot
Vuotojen korjausta
Mutta jotkin QEC-operaatiot ja itse laitteisto voivat aiheuttaa myös vuotovirheitä. Ne ovat helposti havaittavissa ja niitä voidaan hallita virheenkorjaustekniikoilla mutta yksi aiheen haasteista on, että se on läsnä kubitin aliavaruuden parissa pitkään.
Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston Jian-Wei Pan ja hänen kollegansa ovat kehittäneet tavan korjata tällaisia virheitä siirtämällä vuotavat kubitit takaisin oikeille energiatasoilleen mikroaaltoimpulssien avulla.
Tiimi testasi menetelmäänsä räätälöidyllä Zuchongzhi 3.2 -prosessorilla, jossa oli 97 kubitin matriisi, mukaan lukien data-kubitit (jotka sisältävät laskennan kvantti-informaation) ja apukubitit (apurit virheiden havaitsemiseen ja korjaamiseen).
Tutkijat aiheuttivat vuodon tarkoituksella siirtämällä kubitteja korkeammille energiatasoille. Sitten he laukaisivat mikroaaltopulsseja poistaakseen virheen data-kubiteista, jolloin ne palasivat laskennalliseen tilaansa häiriintymättä.
Samaan aikaan he nollasivat apuna käytettävät kubitit toisella mikroaaltopulssilla virheen täydelliseksi poistamiseksi. Kaiken kaikkiaan tämä menetelmä poisti vuotovirheet yli 70 kertaa tehokkaammin kuin järjestelmän käyttäminen ilman vuotojen vaimentamista.
Tätä lähestymistapaa testattiin sekä pienillä että suurilla matriisin osilla. Tulokset osoittivat, että mitä suurempi järjestelmä oli, sitä luotettavammaksi kvanttitietokoneesta tuli. Toisin sanoen, jos lisäät enemmän kubitteja, virheprosentti laskee. Tätä pidetään yhtenä kvanttilaskennan Graalin maljana. Ennen tätä kokeilua kubittien lisääminen yleensä pahensi ongelmaa.
"Tuloksemme osoittavat, että täysin mikroaaltopohjaiset ohjausarkkitehtuurit voivat tehokkaasti vaimentaa kriittisiä virheitä laajassa mittakaavassa, mikä avaa tien kehittyneemmille kvanttivirheiden korjauksen toteutuksille", tutkijat kirjoittavat artikkelissaan.
Aikaan sidottuja häiriöitä
Australialaisten ja kansainvälisten tiedehenkilöiden ryhmä on ensimmäistä kertaa luonut täydellisen kuvan siitä, miten virheet tapahtuvat ajan kuluessa kvanttitietokoneen sisällä – läpimurto, joka voi auttaa tekemään tulevaisuuden kvanttikoneista paljon luotettavampia.
Macquarien yliopiston tohtori Christina Giarmatzin johtamat tutkijat havaitsivat, että kvanttitietokoneita vaivaavat pienet virheet eivät vain ilmesty sattumanvaraisesti. Sen sijaan ne voivat viipyä, kehittyä ja jopa kytkeytyä toisiinsa eri ajankohtina.
”Voimme ajatella sitä kvanttitietokoneina, jotka säilyttävät virheiden muistin. Virheet voivat olla klassisia tai kvanttipohjaisia riippuen siitä, miten nämä virheet liittyvät toisiinsa”, sanoo Giarmatzi.
"Monet kvanttiprotokollat olettavat, että kvanttitietokoneilla ei ole tällaista muistia (tunnetaan nimellä Markov-muisti), mutta se ei yksinkertaisesti pidä paikkaansa."
Tämäntyyppinen käyttäytyminen on yksi keskeisistä esteistä käytännöllisten, laajamittaisten kvanttitietokoneiden rakentamiselle.
”Olemme pystyneet rekonstruoimaan kvanttiprosessin koko evoluution useiden ajankohtien läpi – mitä ei ole aiemmin tehty”, tohtori Giarmatzi sanoi. ”Se antaa meille mahdollisuuden nähdä paitsi milloin kohinaa esiintyy, myös miten se kulkeutuu ajassa.”
Läpimurto avaa oven kehittyneemmille tavoille mallintaa, ennustaa ja korjata kvanttilaitteiden virheitä, ei vain suprajohtavissa siruissa, vaan myös järjestelmissä, kuten loukkuun jääneissä ioneissa ja spin-kubiteissa.
”Olemme avanneet uuden ikkunan siihen, miten kvanttijärjestelmät käyttäytyvät ajan kuluessa, kun niiden virheet ovat korreloituneita”, tohtori Giarmatzi sanoi. ”Se on olennaista, jos haluamme kvanttitietokoneet todella hyödyllisiksi ja virheettömiksi.”
Tämän saavuttamiseksi tiimi suoritti sarjan kokeita huippuluokan suprajohtavilla kvanttiprosessoreilla – osa Queenslandin yliopiston laboratoriossa ja toiset IBM:n pilvipohjaisten kvanttitietokoneiden kautta.
Aiemmat yritykset kartoittaa kvanttijärjestelmien käyttäytymistä ajan kuluessa ovat törmänneet samaan esteeseen: kokeen aikana mitatun kvanttijärjestelmän jälkeen tiedemiehet eivät voineet vapaasti määrittää asetuksia uudelleen seuraavaa vaihetta varten, koska asetukset riippuvat siitä, oliko mittauksen tulos 0 vai 1.
Uusi menetelmä ratkaisee tämän lisäämällä nerokkaan käänteen, jossa oletetaan, että 50 prosentilla ajasta tulos oli 1 ja muina aikoina tulos oli 0. Sitten tutkijat käyttivät ohjelmistoa työskennelläkseen datan kanssa taaksepäin selvittääkseen, missä tilassa se oli.
”Laitteisto pystyisi siihen”, sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja, tohtori Fabio Costa Norditasta Tukholmasta. ”Kehitimme, miten järjestelmä itse asiassa valmistellaan keskivaiheilla tehdyn mittauksen jälkeen.”
He havaitsivat, että jopa nykypäivän parhaat kvanttikoneet osoittavat hienovaraisia mutta tärkeitä aikaan sidottuja kohinakuvioita – mukaan lukien kvanttimaista kohinaa, joka tulee saman sirun läheisistä kubiteista.
Näiden kaavojen ymmärtäminen auttaa kvanttitieteilijöitä suunnittelemaan parempia karakterisointi- ja virheenkorjaustyökaluja, mikä on ratkaiseva askel kohti luotettavien ja vikasietoisten kvanttitietokoneiden rakentamista.
”On palkitsevaa, kun teoreettiset mallit voidaan herättää eloon oikealla laitteistolla, ja erityisesti silloin, kun ne voivat auttaa itse laitteiston kehittämisessä”, sanoi Tyler Jones, joka työskenteli projektissa tohtoriopiskelijana Queenslandin yliopistossa. ”Kvanttijärjestelmien aikakorrelaatioiden vankkaa karakterisointia tarvitaan tehokkaiden kvanttikoneiden rakentamisen matkalla.”
Oisko piistä kvanttitietokoneen perustaksi?
Australialainen Silicon Quantum Computing (SQC) perustaa kvanttitekniikkansa piihin.
Piin hyödyntämistä pidetään sinänsä laajalti kvanttilaskennan skaalautuvimpana lähestymistapana. Pii on yksi maailman parhaiten ymmärretyistä alkuaineista. Tämä materiaalivalinta hyödyntää biljoonien dollareiden sijoituksia, joita on käytetty puolijohteiden valmistukseen ja kiekkojen puhtauden kehitykseen.
SQC:n oma valmistusprosessi, jota on kehitetty yli 25 vuoden ajan, kuvioi siruja 0,13 nanometrin (atomitason) tarkkuudella sijoittamalla fosforiatomit puhtaisiin piikiekkoihin.
Tiedelehti Nature julkaisi äskettäin yhtiön tutkijoiden saavuttaman merkittävän tuloksen: usean kubitin ja usean rekisterin kvanttiprosessorin, jolla on poikkeuksellinen laatu ja suorituskyky, jotka paranevat järjestelmän skaalautuessa.
SQC:n uusin tulos asettaa uuden virstanpylvään kvanttilaskennan alalla jopa 99,99 %:n tarkkuudella. Tyypillisesti, kun kvanttijärjestelmiin lisätään kubitteja ja ne monimutkaistuvat, niiden laatu heikkenee. SQC:n arkkitehtuuri osoittaa päinvastaista: kubittimäärän kasvaessa kubitin laatu paranee – kriittinen vaatimus vikasietoisille, kaupallisen mittakaavan järjestelmille.
SQC on jatkuvasti tuottanut maailman johtavaa tarkkuutta vertailukvanttialgoritmeissa, kuten Groverin algoritmissa. Nyt kun nämä useissa rekistereissä saavutetut tulokset osoittavat, että skaalaus kohti miljoonia kubitteja on selvä, kertoo yhtiö tiedotteessaan.
Yhtiön tiedotteessa SQC:n perustaja ja toimitusjohtaja Michelle Simmons sanoi: ”Useimmissa kvanttijärjestelmissä skaalautuvuus tulee suorituskyvyn kustannuksella. Järjestelmämme laatu paranee skaalautuessaan, mikä on valtava saavutus, jonka olemme ylpeitä voidessamme jakaa maailman kanssa. Se heijastaa huolellisia valintojamme materiaalien, arkkitehtuurin ja modaliteetin suhteen, mikä vie meidät matkalle kohti maailman ensimmäisen kaupallisen mittakaavan kvanttitietokoneen toimittamista.”
Skaalausta kolmannessa ulottuvuudessa
Skaalausta on jo aloiteltu yksittäisten kvanttiprosessoinnin yksiköiden yhdistämiseen sopivalla väylällä.
Mutta alankomaalainen QuantWare julkisti joulukuussa VIO-40K:n, kvanttiprosessoriyksikön (QPU) skaalausarkkitehtuurinsa uuden sukupolven VIO-järjestelmän.
Tämä Foundy Services -toimintona toteutettava uusin VIO-40K mahdollistaisi jopa 10 000 kubitin kvanttiprosessorit. VIO-40K tukee 40 000 tulo-lähtölinjaa ja koostuu kokonaan sirumoduuleista, jotka on kytketty toisiinsa erittäin tarkkojen sirujen välisten yhteyksien kautta.
Kyseessä on 3D-skaalausarkkitehtuuri, jolla tavoitellaan reitityksen pullonkaulan murtamista. Kun VIO toimittaa signaaleja suoraan kubiteille 3D-rakenteessa se poistaa eksponentiaalisen viuhkautumisen, joka kuristaa nykyisiä 2D-siruja. Kun johdotus ei tällöin enää kuluta sirualaa, kubitit voivat hallita sirualaa. Ja koska reititystiheys pysyy tasaisena skaalattaessa, sirut voivat skaalautua vapaasti ilman räjähdysmäistä ylikuulumista.
Menettely tarjoaa eksponentiaalisesti enemmän laskentatehoa dollaria ja wattia kohden verrattuna järjestelmiin, jotka on rakennettu useista pienemmistä QPU:ista, ja kytketty toisiinsa perinteisempien verkkoyhteyksien kautta.
QuantWaren VIO on saatavilla koko toimialalle, mikä tekee siitä skaalausstandardin. VIO pystyy skaalaamaan jokaisen kubittisuunnitelman pystysuuntaan, joten mikä tahansa suprajohtavien kubittien kanssa työskentelevä organisaatio sitä kautta valmistuttaa paljon tehokkaampia QPU:ita.
Tällä hetkellä VIO-tekiikkaa tarjotaan jo 400-linjasena järjestelmä ja ensi vuonna 1000-linjaisena sekä VIO-40K ensimmäiset laitteet toimitetaan asiakkaille vuonna 2028.
Tammikuu 2026