Suomalaistutkijat kehittivät kvanttitietokoneisiin nopeutta antavan piirijäähdyttimen

Yhä useampi kaupallinen yritys on kiinnostunut satsaamaan tulevaisuuden tietokoneisiin. 

Kvanttitietokone
Piirros kvanttimekaanisesta värähtelijästä kytkettynä ympäristöönsä.
Taiteilijan näkemys kvanttimekaanisesta värähtelijästä kytkettynä ympäristöönsä.Heikka Valja

Kun tietokone raksuttaa vastauksia kysymyksiin, toiminta perustuu bitteihin. Niin nopeaa kuin sekin on, lähitulevaisuudessa häämöttävät paljon nopeammat kvanttitietokoneet, jotka hyödyntävät kvanttibittejä eli kubitteja.

Kvanttitietokoneen nopeuden salaisuus on siinä, että toisin kuin bitti, kubitti ei ole vain joko–tai eli ykkönen tai nolla, vaan se voi olla samaan aikaan molempia. Nykyiset tietokoneet etsivät vastauksia peräperää; kvanttitietokoneelta vaihtoehtojen puntarointi onnistuu samanaikaisesti.

Jotta tästä ominaisuudesta olisi käytännössä hyötyä, kubittien on säilytettävä energiatilansa mahdollisimman pitkään. Energiahäviö saa kubitin muuttumaan ykkösestä nollaksi, ja silloin kvantti-informaatio tuhoutuu.

Kvanttitietokoneiden kehittelijät ovat pyrkineet poistamaan nuo energiahäviöt mahdollisimman hyvin. Aalto-yliopiston ja Oulun yliopiston tutkijat ovat lähestyneet ongelmaa toisesta näkökulmasta tuoreessa tutkimuksessa, joka on julkaistu Nature Physics (siirryt toiseen palveluun) -lehdessä.

– Ymmärsimme jo vuosia sitten, että kvanttitietokoneet tarvitsevat häviöitä toimiakseen tehokkaasti. Kaikkia häviöitä ei pidä poistaa, vaan olennaista on pystyä hallitsemaan niitä, sanoo Aalto-yliopiston Kvanttiteknologian huippuyksikön dosentti Mikko Möttönen.

Piisiru, jossa on rinnakkain kaksi suprajohtavaa värähtelijää ja niihin kytketyt kvanttipiirijäähdyttimet.
Valokuva senttimetrin kokoisesta piisirusta, jossa on rinnakkain kaksi suprajohtavaa värähtelijää ja niihin kytketyt kvanttipiirijäähdyttimet. Kuan Yen Tan

Möttösen tutkijaryhmä kehitti kvanttipiirijäähdyttimen ja osoitti kokeellisesti, miten häviötä voi nopeuttaa kvanttitietokoneen suprajohtavassa värähtelijässä tuhatkertaiseksi. Kvanttipiirijäähdytin mahdollistaa häviöiden hallinnan, Möttönen kertoo.

Laskennan alussa muisti pitää nollata, jotta edellisessä laskennassa syntynyt informaatio tuhoutuu. Tuo alustaminen onnistuu vain energiahäviöillä, hän selittää.

Hidas alustaminen hidastaa kvanttitietokoneen koko toimintaa; siksi häviöiden nopeuttaminen hallitusti on olennaista.

Tutkimuksessa löytyi yllätyksenä myös toinen asia, jota artikkelin pääkirjoittaja, dosentti Matti Silveri Oulun yliopistosta, pitää vielä merkittävämpänä tuloksena.

– Havaitsimme, että värähtelijän taajuus siirtyi, kun kytkimme häviöt päälle. Tämä löydös vei meidät aikamatkalle 70 vuoden taakse, jolloin nobelisti Willis Lamb teki ensimmäiset mittauksensa vetyatomin energiatilojen pienistä siirtymistä.

Ilmiötä ei ole koskaan ennen kokeellisesti havaittu rakennetuissa kvanttisysteemeissä, Silveri kertoo.

Näiden pienten energiasiirtymien hallinta on erittäin tärkeää kvanttilogiikan ja kvanttitietokoneiden toteuttamisessa, tutkijat sanovat.

Laboratoriossa höyryää.
Helium kiehuu kvanttiväridynamiikkalaboratorioissaMikko Raskinen / Aalto-yliopisto

Ensimmäinen yksittäinen kvanttibitti pystyttiin rakentamaan suprajohtavissa piireissä 20 vuotta sitten. Kvanttitietokoneeseen tuntui kuitenkin vielä olevan niin paljon aikaa, etteivät tutkijat uskoneet sen toteutuvan omana elinaikanaan, Mikko Möttönen kertoo.

– Sen jälkeen on paiskittu laboratorioissa lujasti töitä, draivi on ollut kova ja kehitys on ollut valtavaa. Nyt arvioidaan, että 4–10 vuoden päästä on jo olemassa keskikokoinen kvanttikone, jolla ehditään tehdä joitakin hyödyllisiä laskutoimituksia ennen virheiden kasaantumista.

Lisääntyneestä kiinnostuksesta kertoo, ettei kvanttitietokoneita kehitetä enää vain yliopistojen laboratorioissa, vaan muutamassa viime vuodessa mukaan on tullut myös liuta yrityksiä.

–Sitten kun on olemassa kone, joka tekee jotakin nopeammin, paremmin tai halvemmalla kuin nykyiset tietokoneet, se ei ole päätepiste, vaan siitä se kehitys paremmaksi vasta alkaa. Tulee bisnestä ja investointeja.

Möttösen mukaan alalla on menossa vallankumous, jossa Eurooppakin voi olla mukana, kunhan satsataan osaamisen lisäksi rahaa.

– Pohjois-Amerikka ja Eurooppa ovat tiederintamalla johtavia, mutta Pohjois-Amerikassa on selvästi enemmän yrityksiä kuin Euroopassa. Kiinakin on lähtenyt satsaamaan, mutta tämä on osaamiskriittinen ala, jossa tarvitaan vankka osaamispohja.

Mikko Möttönen
Mikko MöttönenNiki Strbian

Koska isoa kvanttitietokonetta ei ole koskaan rakennettu, vielä ei voi tietää, toimiiko sellainen. Monella taholla on kuitenkin niin kunnianhimoinen tavoite, että jokin niistä onnistuu, Möttönen toivoo.

– Se olisi niin mullistava asia, että pakko tämä on katsoa loppuun.

Tavalliselle tietokoneen käyttäjälle siirtymä on aikanaan melko näkymätön, Möttönen tuumii. Koko järjestelmää ei vaihdeta, vaan uutta ujutetaan auttamaan tietokoneen toimintaa, hän sanoo.

Lue myös:

Kvanttiteknologian vallankumous kytee Otaniemessä