Veijo Hänninen

Kubittitekniikkaa Skandinaviasta

Suomalaisen kvanttitietokoneiden valmistajan tavoitellessa jo listautumista New Yorkin ja Helsingin pörsseihin muiden skandinaavisten maiden tutkijat esittelevät syvällisemmän tason tutkimuksiin liittyviä saavutuksiaan.

Kubitit ja kvanttiprosessorit ovat tunnetusti erittäin herkkiä ympäristölleen ja toisilleen.

Tyypillisesti materiaalit, joihin ne on upotettu, sisältävät mikroskooppisia virheitä, joita ei vielä täysin ymmärretä. Nämä virheet voivat vaihdella erittäin nopeasti, joskus satoja kertoja sekunnissa. Niiden vaihdellessa myös kubitin energian ja siten hyödyllisen kvantti-informaation menetysnopeus muuttuu.

Tähän asti tavanomaiset karakterisointirutiinit, jotka voivat kestää jopa minuutin, eivät yksinkertaisesti kykene "havaitsemaan" näitä nopeita vaihteluita. Tämän seurauksena tutkijat pystyivät mittaamaan vain keskimääräisen energian menetysnopeuden, mikä antoi usein epätäydellisen kuvan kubitin todellisesta suorituskyvystä.

Kuinka parantaa kubittien suorituskykyä

Nyt Niels Bohr -instituutin tutkijaryhmä Center for Quantum Devicesista ja Novo Nordisk -säätiön kvanttilaskentaohjelmasta on postdoc-tutkijan Fabrizio Berrittan johdolla ottanut käyttöön reaaliaikaisen adaptiivisen mittausmenetelmän, joka seuraa kubitin energianmenetysnopeuden (relaksaationopeuden) vaihteluita niiden tapahtuessa.

Työ on osa kansainvälistä yhteistyötä Norjan tiede- ja teknologiayliopiston, Leidenin yliopiston ja Chalmersin yliopiston tutkijoiden kanssa.

Nopeaa klassista ohjainta käyttäen menetelmä päivittää jatkuvasti arviotaan kubitin relaksaationopeudesta vain muutamassa millisekunnissa, lähellä itse fluktuaatioiden luontaista aikaskaalaa, aiempien lähestymistapojen sekuntien tai minuuttien sijaan.

Tiimi saavutti nämä nopeudet käyttämällä Field-Programmable Gate Array (FPGA) -perustaista ohjainta, joka voi toimia erittäin nopeasti. Suorittamalla kokeen suoraan FPGA:lla he pystyivät muodostamaan "parhaan arvion" siitä, kuinka nopeasti kubitti menettäisi energiansa vain muutaman mittauksen perusteella turvautumatta tavallisten tietokoneiden hitaisiin kiertoihin.

Tuo nopeus tuo mukanaan haasteen: FPGA-piirien ohjelmointi tiettyjä tehtäviä varten voi olla poikkeuksellisen monimutkaista. Silti Fabrizio ja muu tiimi onnistuivat saamaan ohjaimen päivittämään sisäistä "tietämystään" – Bayes-mallia – jokaisen kubitin mittauksen jälkeen. Tämä mahdollisti järjestelmän jatkuvasti mukauttaa kubitin tilan oppimista mahdollisimman tehokkaasti.

Tämän seurauksena FPGA-ohjain ja kubitin ympäristö kehittyvät nyt suunnilleen samalla aikaskaalalla, ja mittaukset ja havaitseminen tapahtuvat vastaavasti – noin sata kertaa nopeammin kuin koskaan aiemmin on osoitettu.

Ja kaiken lisäksi kukaan ei aiemmin tiennyt, kuinka nopeasti fluktuaatiot suprajohtavissa kubiteissa tapahtuvat. Mutta nyt tiedämme, Fabrizion NBI:ssä tekemän työn ansiosta.

Löydetään hyvät ja huonot kubitit

”Nykyään kvanttiprosessointiyksiköissä suorituskykyä eivät yleensä määritä parhaat kubitit, vaan huonoimmat ja niihin meidän on keskityttävä. Työmme yllätys on, että ”hyvä” kubitti voi muuttua ”huonoksi”, sekunnin murto-osissa minuuttien tai tuntien sijaan.”

Algoritmimme avulla nopea ohjauslaitteisto voi paikantaa reaaliajassa, mikä kubitti on "hyvä" tai "huono". Voimme myös kerätä hyödyllistä tilastotietoa "huonoista" kubiteista sekunneissa tuntien tai päivien sijaan.

"Emme vieläkään pysty selittämään suurta osaa havaitsemistamme fluktuaatioista. Tällaisten kubitin ominaisuuksien fluktuaatioiden taustalla olevien fysiikan ymmärtäminen ja hallitseminen on välttämätöntä, jotta kvanttiprosessorit voidaan skaalata hyödylliseen kokoon", Fabrizio sanoo.

Puuttuvan lenkin etsintää

Norjalaiset fyysikot ovat puolestaan arvioivat löytäneensä kvanttitietokoneiden puuttuvan lenkin

'Kolmoisrakenteiset suprajohteet' ovat avainasemassa tulevaisuuden energiatehokkaimman teknologian saavuttamisessa.

”Triplet-suprajohde on korkealla monien kiinteän olomuodon fysiikan alalla työskentelevien fyysikkojen toivelistalla”, sanoi professori Jacob Linder.

Hän työskentelee Norwegian University of Science and Technogyn (NTNU) fysiikan laitoksella, tarkemmin sanottuna QuSpinissa – tutkimuskeskuksessa, jossa fyysikot painiskelevat hankalimpien kuviteltavissa olevien kysymysten parissa.

”Triplet-suprajohteet ovat eräänlainen ’pyhä Graali’ kvanttiteknologiassa ja erityisesti kvanttilaskennassa”, Linder selitti.

"Uskomme, että olemme mahdollisesti havainneet tripletti-suprajohteen", sanoi Linder.

Linderin työhön kuuluu kvanttimateriaalitiede ja sen käyttömahdollisuudet spintroniikassa ja kvanttiteknologiassa.

Spiniä voidaan käyttää informaation siirtämiseen eri tavoin kuin perinteisissä tietokoneissa. Spiniä voidaan käyttää myös kvanttiteknologiassa, erityisesti yhdistettynä suprajohteisiin, mutta nykyinen teknologia on turhauttavan epävakaa.

”Yksi kvanttiteknologian suurimmista haasteista nykyään on löytää tapa suorittaa tietokoneoperaatioita riittävällä tarkkuudella”, Linder selitti.

Ja sitten tripletti-suprajohde astuu kuvaan

Linder on julkaissut artikkelin Physical Review Letters -lehdessä yhteistyössä kokeita tehneiden italialaisten kollegoidensa kanssa.

”Kolmoisjohteet mahdollistavat useita epätavallisia fysikaalisia ilmiöitä. Näillä ilmiöillä on tärkeitä sovelluksia kvanttiteknologiassa ja spintroniikassa”, toteaa Linder.

Triplet-suprajohteita voidaan käyttää myös hyvin eksoottisen hiukkastyypin, nimeltään " Majorana-hiukkanen", luomiseen. Majorana-hiukkanen on oma antihiukkasensa. Siksi se voi suorittaa laskutoimituksia kvanttitietokoneella vakaalla tavalla.

”Julkaistussa artikkelissamme osoitamme, että NbRe-materiaalilla on ominaisuuksia, jotka ovat yhdenmukaisia triplet-suprajohtavuuden kanssa”, Linder sanoi.

”On vielä liian aikaista tehdä lopullisesti johtopäätöstä siitä, onko materiaali tripletti-suprajohde. Muiden kokeellisten ryhmien on muun muassa varmistettava löydös. On myös tarpeen suorittaa lisää tripletti-suprajohtavuuskokeita”, professori Linder selittää.

Hän on kuitenkin toiveikas.

”Kokeellinen tutkimuksemme osoittaa, että materiaali käyttäytyy täysin eri tavalla kuin mitä odottaisimme perinteiseltä singletti-suprajohteelta”, Linder lisäsi.

Jättimäiset superatomit avaavat uuden työkalupakin

Tehokkaiden ja vakaiden kvanttitietokoneiden tavoittelussa ruotsalaisen Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet teorian täysin uudelle kvanttijärjestelmälle – joka perustuu uuteen "jättiläissuperatomien" käsitteeseen.

Tämä läpimurto mahdollistaa kvantti-informaation suojaamisen, hallinnan ja jakamisen uusilla tavoilla, ja se voisi olla avainaskel kohti kvanttitietokoneiden rakentamista laajassa mittakaavassa.

Jättiläisatomien käsitteen loivat Chalmersin tutkijat hieman yli kymmenen vuotta sitten, ja siitä on sittemmin tullut alan standarditermi. Jättiatomi suunnitellaan useimmiten kubitiksi. Atomilla on useita, avaruudellisesti erillisiä kytkentäpisteitä valo- tai ääniaaltoon, minkä ansiosta se voi olla vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa useissa paikoissa samanaikaisesti. Tämä mahdollistaa jättiläisatomin suojata kvantti-informaatiota.

Vaikka jättiläisatomit ovat jo edistäneet kvanttifysiikan ymmärrystämme, niiden kyky hyödyntää toista keskeistä kvantti-ilmiötä – lomittumista – on toistaiseksi ollut rajallista. Lomittumisen ansiosta useat kubitit voivat jakaa yhden kvanttitilan ja toimia yhtenäisenä järjestelmänä. Tämä on edellytys tehokkaiden ja laajamittaisten kvanttitietokoneiden rakentamiselle.

Tutkijat ovat ratkaisseet tämän ongelman yhdistämällä jättisatomit superatomi-käsitteeseen. Superatomi on rakenne, joka koostuu useista luonnollisista atomeista, joilla on yhteinen kvanttitila ja jotka käyttäytyvät yhdessä kuin yksi suurempi atomi.

Tämän yhdistelmän odotetaan nyt helpottavan sellaisten edistyneiden kvanttitilojen luomista, jotka ovat ratkaisevan tärkeitä tulevaisuuden kvanttiviestinnälle, kvanttiverkoille ja erittäin herkille antureille.

Uudet ominaisuudet esiin

”Jättiläissuperatomi voidaan kuvitella useiden jättiläisatomien muodostamaksi kokonaisuudeksi, joka toimii yhdessä ja jossa valon ja aineen välillä on ei-paikallinen vuorovaikutus. Tämä mahdollistaa useiden kubittien kvantti-informaation tallentamisen ja hallinnan yhdessä yksikössä ilman yhä monimutkaisempia ympäröiviä piirejä”, Lei Du selittää.

”Jättimäiset superatomit avaavat oven täysin uusille ominaisuuksille ja antavat meille tehokkaan työkalupakin. Ne antavat meille mahdollisuuden hallita kvantti-informaatiota ja luoda lomittumista tavoilla, jotka olivat aiemmin erittäin vaikeita tai jopa mahdottomia”, sanoo Janine Splettstoesser, sovelletun kvanttifysiikan professori Chalmersissa ja tutkimuksen toinen kirjoittaja.

Tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia skaalautuvien ja luotettavien kvanttijärjestelmien rakentamiseen, ja tutkijat suunnittelevat nyt siirtymistä teoriasta järjestelmän valmistukseen. Heidän konseptiaan voitaisiin yhdistää myös muuntyyppisiin kvanttijärjestelmiin, esimerkiksi rakenneosana useiden järjestelmien yhdistämiseen.

”Hybridimenetelmiin, joissa eri kvanttijärjestelmät toimivat yhdessä, kohdistuu tällä hetkellä vahvaa kiinnostusta, koska jokaisella on omat vahvuutensa”, sanoo Anton Frisk Kockum. ”Tutkimuksemme osoittaa, että älykäs suunnittelu voi vähentää yhä monimutkaisemman laitteiston tarvetta ja jättimäiset superatomit tuovat meidät askeleen lähemmäksi käytännössä sovellettavaa kvanttiteknologiaa.”