Veijo Hänninen
Kevään kvanttiuutisia
Kvanttitietotekniikka on viime aikoina ottanut merkittäviä askeleista. Osa niistä lupailee jo hyödyllisen mittakaavan ratkaisuja lähiaikoina mutta osa tukeutu omiin tavoitteisiinsa mutta myös aivan uutta lähtökohtaakin esitellään.
Microsoft ja PsiQuantum ovat julkaisseet teknisiä ratkaisuja joilla tavoitellaan jo miljoonan kubitin toteutuksia. Microsoftin ratkaisu perustuu topologisiin Majorana -ilmiöihin ja PsiQuantumin yksittäisiin fotoneihin ja kuitutiedonsiirtoon.
Kotimaassammekin julkistettiin 50 kubitin suprajohteinen kvanttiprosessori, joka on lajissaan suurin Euroopassa.
Skaalattavuus tähtäimessä
Miljoonia kubitteja ja skaalattavuutta tavoittelevat monetkin kehittäjät.
EeroQ:lla on omanlainen lähestymistapa kvanttitietokoneiden rakentamiseen. Menetelmässä käytetään nestemäisen heliumin päällä kelluvia elektroneja ja hyödynnetään nykyistä sirujen valmistustekniikkaa (CMOS).
Tämän innovatiivisen strategian avulla voimme skaalata nopeasti käyttämällä murto-osaa useimpien yritysten tarvitsemista resursseista.
Nyt EeroQ kertoo kehittäneensä uusia mikroaaltoresonaattoreita, jotka parantavat lukunopeutta ja -tarkkuutta tulevissa kvanttitietokoneissamme
Mikä tahansa kvanttitietokone vaatii sekä fyysisiä kvantti-informaation kantajia – kubitteja – että tekniikkaa kubittien mittaamiseen. Koska hyödylliset kvanttialgoritmit vaativat tuhansia lukusyklejä, näiden algoritmien ajaminen oikea-aikaisesti ja tarkasti edellyttää nopeaa ja korkealaatuista kubittien luentaa ja lukumekanismin täydellistä hallintaa.
Äskettäin julkaistussa tutkimusartikkelissa esitellään Chicagon ja Stanfordin yliopiston kanssa kehitettyjä uusia mikroaaltoisia luennan resonaattoreita, jotka on erityisesti suunniteltu yhteensopiviksi CMOS-pohjaisen kvanttialustan kanssa. Resonaattorigeometria integroituu saumattomasti piipohjaisiin yksittäisien elektronien loukkujen rakenteisiin.
Resonaattorit valmistettiin titaaninitridistä, suprajohteesta, jolla on erityinen materiaaliominaisuus, nimeltään kineettinen induktanssi, jonka ennustetaan lisäävän merkittävästi elektronien mittauksen nopeutta verrattuna aikaisempiin lähestymistapoihin.
Erinomaisten mikroaalto-ominaisuuksiensa lisäksi resonaattoriemme mikroaaltovasteet ennustetaan laskelmillamme tarkasti 2 %:n tarkkuudella, mikä tutkimustyön mukaan todistaa teoreettisten mallin pätevyyden ja valmistusmenetelmien luotettavuuden.
Mikroaaltoresonaattoreista
Mikroaaltoresonaattoreiden käyttö kubittien luentaan on tehokas ja testattu lähestymistapa. 2000-luvulla edistyminen fysiikan alueella, joka tunnetaan piirien kvanttielektrodynamiikkana (lyhyesti cQED), mahdollisti ihmisen valmistamien sähköisten piirien rakentamisen, jotka toimivat kvanttimekaniikan sääntöjen mukaisesti.
Nämä edistysaskeleet aloittivat kvanttilaskentateknologioiden nykyisen vallankumouksen. Yksinkertaisesti sanottuna cQED käyttää mikroskooppisia resonaattoreita kubittien mittaamiseen mikroaaltoenergian vaihdon kautta. Seuraamalla resonaattorin ulostuloa kaupallisesti saatavalla elektroniikalla, oli helppoa päätellä informaatiota kubitista.
Lyhyesti sanottuna cQED mahdollistaa kvantti-informaation käsittelyn nopeasti, tarkasti ja avaruudellisesti tehokkaasti, mitkä kaikki ovat tärkeitä hyödyllisten ja skaalautuvien kvanttitietokoneiden rakentamisessa.
EeroQ rakentuu pitkälle cQED-perinteelle. Uusien mikroaaltoresonaattoreiden ja täydellisen teoreettisen ymmärryksemme resonaattori-elektroni vuorovaikutuksista työkaluista avaa yhtiölle selkeän tien elektronien mittaamiseen heliumissa suuremmalla tarkkuudella ja nopeudella kuin koskaan ennen.
Lisäksi, koska elektronit liikkuvat helposti sirujemme ympärillä, yhtä resonaattoriamme voidaan käyttää useiden erillisten elektronikubittien lukemiseen, mikä vähentää huomattavasti kvanttitietokonetta kohti tarvittavien fyysisten lukulaitteiden määrää.
Yhdessä elektronit-helium-järjestelmän luontaisen skaalautuvuuden ja kaikki-kaikkiin -liitettävyyden kanssa EeroQ jatkaa edistystä innovatiivisella kvanttilaskentansa lähestymistavalla.
Virheenkorjaus vaatii paljon kubitteja
Kubittien superposition monimutkaisuuden vuoksi niissä voi olla kahden tyyppisiä virheitä: bitin käännöksiä, kuten klassisissa digitaalisissa järjestelmissä, ja vaihekääntymiä, joissa kubitin tilat 1 ja 0 tulevat epävaiheisiin (tai epäsynkronisiksi) toistensa kanssa.
Tutkijat ovat kehittäneet monia strategioita molempien virhetyyppien käsittelemiseksi kvanttijärjestelmissä, mutta menetelmät edellyttävät, että kubiteilla on huomattava määrä varmuuskopiokumppaneita. Itse asiassa nykyiset kubittitekniikat voivat vaatia tuhansia apukubitteja tarjotakseen halutun suojan virheiltä.
Caltechin kampuksella sijaitsevassa AWS Center for Quantum Computing -keskuksessa työskentelevät tutkijat ovat ottaneet harppauksen eteenpäin selvittääkseen, kuinka kvanttitietokoneiden virheitä voidaan vähentää.
Amazon Web Servicesin (AWS) ja Caltechin tutkijoiden ryhmä esitteli uutta kvanttisiruarkkitehtuuria virheiden vaimentamiseen käyttämällä kissakubittina tunnettua kubittityyppiä.
Nyt AWS-tiimi on koonnut ensimmäisen skaalautuvan kissakubittisen Ocelot-sirun, jota voidaan käyttää kvanttivirheiden tehokkaaseen vähentämiseen.
Ryhmän uusi järjestelmä perustuu, joka on muodostettu mikroaalto-oskillaattorien suprajohtavista piireistä, joissa kubittia edustavat tilat 1 ja 0 määritellään kahdeksi erilaiseksi suuriskaalaiseksi värähtelyamplitudiksi. Tämä tekee kubit-tiloista erittäin vakaita ja läpäisemättömiä bitinvaihtovirheille.
Itse asiassa nimi "kissa" kubitit viittaa näiden kubittien kykyyn ottaa kaksi erittäin suurta tai makroskooppista tilaa samanaikaisesti - aivan kuten kuuluisa kissa Erwin Schrödingerin ajatuskokeessa, joka voi olla sekä kuollut että elossa samanaikaisesti.
Kun kissa-kubitit vähentävät dramaattisesti bitinvaihtovirheitä, ainoat korjattavat virheet ovat vaiheen vaihtovirheet. Ja vain yhden tyyppisten virheiden korjaaminen tarkoittaa, että tutkijat voivat käyttää toistokoodia, kuten niitä, joita käytetään klassisten järjestelmien bitinvaihtovirheiden korjaamiseen.
"Klassinen koodi, kuten Ocelotin toistokoodi, tarkoittaa, että uudet sirut eivät vaadi yhtä monta kubittia virheiden korjaamiseen", Brandão sanoo. "Olemme osoittaneet skaalautuvamman arkkitehtuurin, joka voi vähentää virheenkorjaukseen tarvittavien apukubittien määrää jopa 90 prosenttia."
Uusi lähtökohta edullisen tietokoneen kehityksessä
Vähemmän energiaa käyttävä haastaja kvanttitietokoneille, joka toimii myös huoneenlämmössä, saattaa olla Göteborgin yliopiston uuden tutkimuksen tulos.
Tutkijat ovat osoittaneet, että informaatiota voidaan siirtää käyttämällä magneettista aaltoliikettä monimutkaisissa verkoissa.
Spintroniikka tutkii magneettisia ilmiöitä magneettisten materiaalien nano-ohuissa kerroksissa, jotka ovat alttiina magneettikentille, sähkövirroille ja jännitteille. Nämä ulkoiset ärsykkeet voivat myös luoda spinaaltoja, aaltoiluja materiaalin magnetisaatiossa, jotka kulkevat tietyn vaiheen ja energian kanssa.
Tutkijat voivat tuottaa ja ohjata spin-aaltoja, mikä mahdollistaa vaiheohjatun keskinäisen synkronoinnin kahden niin sanotun spin Hall –nano-oskillaattorin välillä. Näiden aaltojen vaihetta hallitsemalla tutkimusryhmä pystyi luomaan binäärivaiheita verkon yli.
Ensimmäistä kertaa he osoittivat, että spin-aallot voivat välittää oskillaattorien välillä sekä vaiheessa että epävaiheessa. Ilmiötä voidaan virittää säätämällä joko magneettikenttää, sähkövirtaa, kohdistettua hilajännitettä tai oskillaattorien välistä etäisyyttä.
Nämä edistysaskeleet tasoittavat tietä seuraavan sukupolven Ising-koneille, vaihtoehdolle kvanttitietokoneille, jotka vaativat paljon vähemmän energiaa ja voivat toimia huoneenlämmössä.
"Spinaaltojen avulla olemme lähempänä erittäin tehokkaiden, vähän käyttötehoa tarvitsevien laskentajärjestelmien luomista, jotka voivat ratkaista todellisia ongelmia", sanoo tutkimuksen johtava kirjoittaja Akash Kumar.
Läpimurron jälkeen Göteborgin yliopiston tutkijat rakentavat nyt satojen tuhansien oskillaattorien verkkoja kehittääkseen seuraavan sukupolven Ising-koneita. Koska oskillaattorit toimivat huoneenlämmössä ja niillä on nanomittakaavainen jalanjälki, nämä laitteet voidaan helposti sovittaa suurempiin järjestelmiin, mutta myös pienempiin laitteisiin, kuten matkapuhelimeen.
Kryotransistori
Yksi useimpien kvanttitietokoneiden kehityksen ongelmista on kvantti-ilmiöiden pitäminen kurissa vahvan jäähdytystekniikan avulla. Jäähdytyskammioon ei haluta mitään lisää lämpöä tuottavaa ohjauselektroniikkaa. Mitä suurempaa kubittimäärää tavoitellaan, sitä useampi lämpöä tuottava ohjausjohde jäähdytyskammioon on tuotava.
Asiaa on yritetty korjata kylmyyttä kestävällä elektroniikalla tai optisella ohjaustekniikalla.
Kotimainen SemiQun on sen sijaa kehittänyt kryoteknisen CMOS-transistorin. Kyseessä on maailman ensimmäinen transistori, joka on täysin optimoitu kryogeenisiin olosuhteisiin
Uusi kryo-CMOS-transistori, joka on suunniteltu toimimaan 1 Kelvinin tai sitä alhaisemmissa lämpötiloissa, kuluttaa 0,1 % tehosta ja tuottaa 1000 kertaa alhaisemmat lämmönhukkatasot kuin perinteiset huonelämpötransistorit.
Käyttäjät hyötyvät sekä laitteistonsa parantuneesta toimivuudesta että merkittävästi alentuneista kustannuksista.
Tämä ensimmäinen laatuaan ratkaisu tuo edistyneiden CMOS-piirien tehon, kaiken nykyaikaisen elektroniikan selkärangan, integroitavaksi suoraan kubitteihin. Se vähentää kvanttitietokoneiden vaatiman kalliin ohjauselektroniikan infrastruktuurin määrää, mikä tekee tulevista kvanttitietokoneista huomattavasti vähemmän hankalaa rakentaa ja tehokkaampia toimia.
Kryo-optimoidun ohjaus- ja lukuelektroniikan sijoittaminen suoraan kryostaatin sisään prosessorien rinnalle yksinkertaistaa kvanttiprosessorien ohjauksen ja lukemisen kasvavaa monimutkaisuutta, mikä on vakava pullonkaula, joka estää kvanttitietokoneiden skaalaamisen.
Yhtiön mukaan näillä kryo-transistoreilla voi olla käyttöä myös korkean suorituskyvyn laskennassa (HPC) ja avaruusteknologioissa.
Ääretön tyhjyyskin auttaa
IonQ tähtää huoneenlämpöisessä kvanttilaskentaan uuden äärimmäisen korkean tyhjiöteknologian (XHV) avulla. Tarkoituksena on toteuttaa pienempiä, kompaktimpia huoneenlämpöisiä kvanttijärjestelmiä.
Yritys on saanut valmiiksi huippuluokan kokoonpanokammion, jolla pystyy valmistamaan miniatyrisoituja ioniloukun tyhjiöpaketteja, jotka kestävät Extreme High Vacuum -tasot, jotka ovat verrattavissa Kuun pinnan tyhjiötasoihin.
Tästä lähestymistavasta syntyvät pienet ja yksinkertaistetut komponentit on suunniteltu modulaariseksi ja vaihdettaviksi, mikä tukee IonQ:n keskittymistä yritystason ominaisuuksiin järjestelmän valmistuksen, asennuksen ja ylläpidon nopeuttamiseksi.
Keskeinen tekninen innovaatio, jonka yritys saavutti, oli erittäin pienen ioniloukun tyhjiöpaketin kokoaminen suurempaan suurtyhjiökokoonpanokammioon suorituskyvyn ja käyttöhyötyjen parantamiseksi. Lisäksi tämä innovaatio auttaa tulevaisuudessa poistamaan alan standardityhjiöpumput itse kvanttitietokoneesta.
Uusi ioniloukun tyhjiöpaketti käyttää nykyaikaisiatekniikoita korkean pumppausnopeuden mahdollistamiseksi ilman liikkuvia osia. Tämä saavutus perustui uusiin lähestymistapoihin materiaalien valinnassa, optiikassa, hitsauksessa ja mikromittakaavan valmistuksessa, joita ei ole aiemmin sovellettu vangitun ionin kvanttilaskentaan.
IonQ:n XHV-kehitys täydentää yhtiön muita äskettäin julkistettuja teknologia-aloitteita, mukaan lukien yhteistyö NKT Photonicsin kanssa innovatiivisten optisten alijärjestelmien integroimiseksi tuleviin IonQ-kvanttitietokoneisiin ja kumppanuus imec-organisaation kanssa fotonisten integroitujen piirien (PIC) ja sirutason ioniloukkuteknologian kehittämiseksi.