Veijo Hänninen

Kvanttitietotekniikan skaalautuvuutta rakennellen

Kvanttitietotekniikan yritykset ja tutkijat julkistivat uusia skaalauksen ja vikasietoisuuden tavoiteaikataulujaan ja yhä käytännöllisempiin laitteisiin liittyviä saavutuksiaan.

Uuden Majorana 2 -kvanttiprosessorin myötä Microsoft tähtää skaalautuvaan ratkaisuun uusilla luotettavilla ja pitkäkestoisilla kubiteilla.

Majorana 2 sisältää kubitteja, jotka ovat 1 000 kertaa luotettavampia kuin edellisessä kvanttiprosessointiyksikössä käytetyt. Uusi materiaalipino, jossa alumiini on korvattu lyijyllä, luo erittäin luotettavia topologisia kubitteja, joiden toiminta on mikrosekuntien luokkaa ja joiden keskimääräinen käyttöikä on 20 sekuntia, toisinaan yli minuutin.

Topologiset kubitit soveltuvat skaalautuvan mikroprosessoritekniikan tehtävään yhtiön mukaan erinomaisen hyvin niiden luonnostaan alhaisen virhesuhteen, pienen koon ja digitaalisen ohjauksen ansiosta.

Majoranan 2:n luomiseksi Microsoft Quantum -tiimi paransi Majoranan 1:n materiaalipinoa luodakseen vakaamman topologisen vaiheen. Majoranan 2 korvaa Majoranan 1:n suprajohteen, alumiinin, lyijyllä ja päivittää myös puolijohdeaktiivisen alueen indiumarsenidin ja indiumarsenidientimonidin yhdistelmäksi.

Tämä materiaalimuutos johtaa merkittävään suorituskyvyn kasvuun, mikä näkyy topologisen vaiheen parantuneena kestävyytenä. Topologinen aukko, joka suojaa topologisia kubitteja ympäristön kohinalta ja virheiltä, on yli kaksinkertainen edelliseen kvanttiprosessoriin verrattuna.

Microsoftin kvanttiprosessoreiden porttimääritellyt laitteet koostuvat tetroneista, topologisista kubiteista, jotka koostuvat kahdesta suprajohtavasta nanolangasta, joiden päissä on Majorana Zero Mode (MZM).

MZM:t ovat topologisten kubittien rakenneosia, ja ne tallentavat kvantti-informaatiota pariteetin eli topologisen johteen elektronien lukumäärän tasaisuuden tai parittomuuden avulla.

Mittaukseen perustuva ohjaus

Majorana 2:n topologisessa kvanttilaskennassa perusoperaatiot suoritetaan mittausten avulla, määrittämällä topologisen johteen pariteetti. Jokainen pariteettimittaus tuottaa luvun 0 tai 1, joka vastaa parillista tai paritonta elektronien määrää topojohteessa.

Kubitti voidaan siten lukea yhdellä kertaa, jolloin voidaan käyttää mittauksia laskelmien suorittamiseen. Mittauksen kytkemiseksi päälle tai pois päältä käytämme digitaalisia pulsseja, jotka yhdistävät ja irrottavat kvanttipisteitä nanolangoista.

Tämän tyyppinen ohjaus ja lukema, jota voidaan käyttää myös kahden kubitin yhteispariteetin mittaamiseen, mahdollistaa kvanttivirheiden korjauksen – olennaisen ainesosan vikasietoisessa kvanttilaskennassa. Laskennat jaetaan tällaisten mittausten sarjoihin yhdessä lisäoperaation, jota kutsutaan "maagisen tilan" valmisteluksi, kanssa.

Tekoäly ja dollarit tehostavat kehitystyötä

Majorana 2:n kehitystyössä hyödynnettiin agenttisen Microsoft Discovery tekoälyohjelmistoa. Kyseinen ohjelmisto julkistettiin nyt myös yleisesti saataville.

Microsoftin oman kvanttitiimin tiedemiehet ja insinöörit ovat käyttäneet Discoveryn agenttisia tekoälyominaisuuksia työnkulkujen hallintaan, mittausten automatisointiin, valmistuksen optimointiin, aiemmin huomaamattomien virheiden paikantamiseen ja uusien ratkaisujen ehdottamiseen. Ohjelmistoa tullaan käyttämään yhä laajemmin myös tulevaisuuden Majoranan materiaalityössä.

Microsoftin kvanttilaboratoriossa Lyngbyssä, Tanskassa, tieteilijät, ohjelmistoinsinöörit ja valmistusasiantuntijat käyttävät tätä agenttista tekoälyä monissa prosesseissaan nopeuttaakseen luotettavampien topologisten kubittien kehittämistä.

Tähänastisten saavutustensa myötä Microsoft odottaa saavuttavansa skaalautuvan kvanttitietokoneen vuoteen 2029 mennessä, mikä puolittaisi yhtiön alkuperäisen aikataulun.

IBM puolestaan suunnittelee toimittavansa maailman ensimmäisen laajamittaisen, vikasietoisen kvanttitietokoneen vuonna 2029.

Äskettäin julkistetun uuden 10 miljardin investoinnin tarkoituksena on nopeuttaa edistymistä tiekarttasaavutusten jälkeen ja edistää Yhdysvaltoihin juurtunutta kvanttijohtajuutta.

Johtajuus rakentuu alan laajimmalle kvanttipohjalle, johon kuuluu maailman suurin kvanttitietokoneiden laivue, eniten käytetty kvanttiohjelmisto sekä yli 340 organisaation asiakas- ja kumppaniverkosto, jotka suorittavat todellisia työkuormia jo tänään. Uusi investointi rahoittaa kyseisen perustan seuraavan vaiheen, jossa IBM vie johtoasemaansa nykyisistä kaupallisista kvanttitietokoneista kohti vikasietoisia skaalautuvia järjestelmiä.

Tavoitteena sata loogista kubittia

Kvanttilaskentayritys D-Wave Quantum, joka tarjoaa sekä hehkutus- että porttimallijärjestelmiä, ohjelmistoja ja palveluita, ilmoitti äskettäin uudesta porttimallien etenemissuunnitelmasta, jonka tarkoituksena on nopeuttaa kaupallisen, vikasietoisen kvanttilaskennan kehitystä.

Etenemissuunnitelma, jonka tavoitteena on 100 loogista eli virhesuojattua kubittia, jotka kykenevät suorittamaan onnistuneesti yli miljoona operaatiota vuoteen 2032 mennessä, yhdistää D-Waven asiantuntemuksen korkean koherenssin kaksoiskisko-kubiteissa ja kvanttivirheiden korjauksessa sen todistettuun kykyyn suunnitella, skaalata ja kaupallistaa suprajohtavia kvanttijärjestelmiä.

”Alan piirissä on vuosia puhuttu vikasietoisuudesta. Uskomme, että D-Wavella on erittäin erottuva ja uskottava tie sen saavuttamiseen”, sanoo D-Waven toimitusjohtaja, tohtori Alan Baratz. ”Suprajohtava kaksoiskiskoarkkitehtuurimme on perustavanlaatuisesti erilainen lähestymistapa vikasietoiseen kvanttilaskentaan, ja odotamme sen asettavan D-Waven paitsi kilpailemaan mutta myös määrittelevän uudelleen sen, kuinka nopeasti teknologiasta tulee kaupallista.”

D-Wave uskoo, että kaupallisen porttimallisen kvanttilaskennan tulevaisuutta eivät määrittele pelkästään raa'at fyysiset kubittimäärät, vaan kyky suorittaa luotettavasti laajamittaisia laskelmia reaalimaailman sovelluksissa. Vaikka suuri osa alasta keskittyy fyysisten kubittien skaalaamiseen, D-Wave pyrkii eriyttämään lähestymistapaa, joka keskittyy virheiden vähentämiseen laitteistotasolla.

Sen kaksoiskiskoinen kubittiarkkitehtuuri upottaa virheiden havaitsemisen suoraan kubitteihin, jolloin virheet ovat havaittavissa laskennan aikana yhden kubitin tasolla. Toisin kuin monet muut porttimallin laitteistomenetelmät, jotka eivät pysty havaitsemaan kubittivirheitä, D-Waven kaksoiskiskoiset kubitit on suunniteltu tunnistamaan noin 90 % virheistä niiden tapahtuessa, mikä vähentää merkittävästi virheenkorjaukseen tarvittavien fyysisten kubittien määrää.

D-Wave on myös osoittanut virheentunnistuksella 99,9 %:n kahden kubitin tarkkuuden, mikä tarkoittaa, että fyysisiä virheitä esiintyy vain noin kerran 1 000 operaatiota kohden.

D-Waven tiekartta perustuu suprajohtavaan teknologiaan, joka pystyy suorittamaan kvanttivirheidenkorjaussyklejä 100–1 000 kertaa nopeammin kuin neutraalien atomien tai loukkuun jääneiden ionien järjestelmät.

Kohti käytännön piiritekniikkaa

Kehittynein litografiajärjestelmä, joka on ratkaisevan tärkeä tulevaisuuden kehittyneelle muistille ja tietokonesiruille, on avainasemassa myös kvanttiteknologian skaalaamisessa.

Johtava edistyneiden puolijohdeteknologioiden tutkimus- ja innovaatiokeskus imec, esitteli kevään ITF World -tapahtumassa maailman ensimmäisen kvanttipisteisen kubittirakenteen, joka on valmistettu käyttämällä High NA EUV -litografiaa. Kyseinen tekniikka on imecin ja ASML:n yhdessä kehittämää tulevaisuuden kiekkopiirien valmistusteknologiaa.

Tämä saavutus on virstanpylväs kohti luotettavampien kubittien, kvanttitietokoneiden peruslaskentayksiköiden, teollista skaalausta.

Parhaillaan tutkittavista kvanttialustoista piikvanttipisteistä valmistettuja spin-kubitteja pidetään lupaavina ehdokkaina teolliseen skaalautumiseen. Niiden tuotantoprosessi on pitkälti yhteensopiva piipohjaisten standarditietokonesirujen (CMOS) tuotannon kanssa, tutkimusalueella, jolla IMEC on rakentanut maailmanlaajuista auktoriteettia viime vuosikymmenten aikana.

Lisäämällä tuotantoprosessiin korkean nanoavaruuden EUV-litografian painopiste siirtyy laboratoriossa olevista yksittäisistä demonstraatiolaitteista 300 mm:n tehdasyhteensopiviin, toistettavissa oleviin kvanttibitteihin.

Suprajohtavat pyörteet kubiteiksi

Mutta myös kubittien tasolla tehdään edelleen tutkimustyötä entistä parempien kubittien toteuttamiseksi

>Karlsruhen teknillisen korkeakoulun (KIT) tutkijat ovat osoittaneet kokeellisesti, että suprajohteiden magneettisia pyörteitä voidaan käyttää ohjattavina kvanttijärjestelminä tietyissä materiaaleissa.

Tämä tarkoittaa, että aiemmin ei-toivottu ilmiö on tulossa potentiaaliseksi resurssiksi kvanttiteknologioissa, mikä avaa uusia mahdollisuuksia kvanttitietokoneiden, erittäin herkkien anturijärjestelmien ja innovatiivisten lähestymistapojen kehittämiselle materiaalitutkimuksessa.

Professori Ioan M. Popin johtaman KIT:n kvanttimateriaalien ja -teknologioiden instituutin (IQMT) tutkimusryhmä dokumentoi täysin uudenlaisen magneettisten pyörteiden käyttäytymisen suprajohteissa.

”Tämä on meille jännittävä löydös, sekä siksi, että se paljastaa uuden perustavanlaatuisen kvanttikäyttäytymisen että siksi, että sillä on potentiaalisia vaikutuksia kvanttiteknologioihin”, sanoo Ameya Nambisan IQMT:stä.

Tutkijat eivät ainoastaan kyenneet tunnistamaan näitä pyörrekubitteja, vaan he pystyivät myös manipuloimaan niitä spesifisesti ja lukemaan ne käyttämällä mikroaaltomittauksia ja kvanttielektrodynamiikan menetelmiä. Mitatut koherenssi- ja relaksaatioajat ovat mikrosekuntiluokkaa ja siten verrattavissa tunnettujen suprajohtavien kubittijärjestelmien aikoihin.

Avaavatko kobolttihunajakennot uuden polun kvanttilaskentaan

Voimakkaasti korreloivat oksidit, joilla on hunajakennohila, ovat herättäneet laajaa huomiota mielenkiintoisten magneettisten käyttäytymistensä ja emergenttien kvanttiefektiensä, kuten Kitaev-spinnesteestä syntyvien Majorana-fermionien, vuoksi.

Osakan yliopiston tutkijat ovatkin luoneet kerrostetun materiaalin sisään stabiileja kobolttipohjaisia hunajakennorakenteita.

Lisäämällä pienen määrän kobolttia NaSbO3:een, tutkijatiimi esitteli uuden alustan Kitaev-materiaalien tutkimiseen käyttämällä runsaasti esiintyviä 3D-siirtymämetalleja, mikä voi tukea tulevaisuuden kustannustehokkaita kvanttiteknologioita.

”Koboltti on suhteellisen halpaa, laajalti saatavilla ja sitä käytetään jo puolijohdevalmistuksessa. Tällainen lähestymistapa voisi lopulta johtaa kvanttilaskennan komponentteihin, joita on paljon käytännöllisempää tuottaa skaalautuvasti,” toteavat tutkijat.

Kesäkuu 2026