1. yle.fi
  2. Uutiset
  3. Kvanttitietokone

Suomalainen keksintö voi tehdä kvanttikoneista tarkempia – kvanttiherruus julistettiin jo viime vuonna, mutta milloin koneista hyödytään?

Uusi säteilymittari voi helpottaa kubittien lukemista. Aikaisemmin liian hitaat bolometrit ovat nyt saavuttaneet riittävän nopeuden.

Kvanttilaskennan ja -laitteiden bolometriryhmän Mikko Möttönen, Roope Kokkoniemi ja Jean-Philippe Girard laboratoriossaan. Kuva: Aalto-yliopisto

Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkimusryhmät ovat kehittäneet erittäin herkän bolometrin eli säteilynilmaisimen, joka voi tehdä kvanttitietoneista aiempaa tarkempia.

Tutkimus on saanut kansainvälistä huomiota, ja se esiteltiin tänään arvostetussa Nature-tiedejulkaisussa (siirryt toiseen palveluun).

Kvanttitietokoneen bitit, kubitit, voivat olla arvoltaan 1 tai 0 sekä lisäksi superpositiossa molempia samaan aikaan. Ne siis eroavat siten tavallisen tietokoneen biteistä, jotka ovat arvoiltaan vain joko 1 tai 0, toisin sanoen virta päällä tai virta pois.

Superpositioiden ansiosta tietokone pystyy pohtimaan lukuisia vaihtoehtoja samanaikaisesti. Kubittien määrää kasvattamalla kasvaa koneen teho myös eksponentiaalisesti.

Yksi tärkeä osa kvanttitietokoneen toimintaa on se, että kubitteja voidaan lukea oikein. Ne sisältävät äärimmäisen vähän energiaa ja siksi niiden lähettämä signaali on hyvin heikko.

Nykyisellä teknologialla kvanttien lukemiseen vaikuttaa kvanttimelu, kohina, joka peittää tietoa alleen.

Aalto-yliopiston professori Mikko Möttönen kertoo, että tällä hetkellä pullonkaulana kvanttitietokoneiden kehittämisessä on kubittien laatu. Nykyiset kohisevat koneet eivät laske täydellisesti, vaan tekevät virheitä.

– Bolometri voisi vaikuttaa mittauksen laatuun. Jos tietokoneessa on esimerkiksi yli sata kubittia, jotka halutaan mitata oikein niin prosentinkin virhe mittauksessa alkaa olla aika merkittävä.

Mikroskooppinen kappale kertoo lämmön vaikutuksista paremmin kuin kiukaan kivi

Monimutkaisen konseptin alla on yllättävän yksinkertainen teknologia. Bolometrin sisällä on pieni, vain yhden atomikerroksen paksuinen grafeenilevy. Se mahtuisi bakteerin sisään.

Uusinta uutta teknologiassa on aiemman kultapalladiumin korvaaminen grafeenilla. Bolometri lukee säteilyä sen perusteella, miten säteilyn lämpöenergia vaikuttaa siihen.

Kappaleesta on saatu nyt entistäkin pienempi, jolloin säteilyn lämpö vaikuttaa enemmän.

– Mitä pienempään tilaan lämmitysenergia saadaan, niin sitä suuremman vaikutuksen se saa aikaan. Grafeenissa elektroneja on hyvin vähän, ja siksi ne lämpenevät tehokkaammin kuin vaikka kiukaan kivessä, jota signaali lämmittäisi hyvin vähän lämmön levitessä, Möttönen kertoo.

Jäähdyttimen sisällä oleva kylmin levy. Tutkijat asettavat tänne bolometrinsa. Kuva: Aalto-yliopisto

Aiemmin kubittien tietoa on mitattu lukemalla piiristä heijastuvaa jännitesignaalia, johon kubitin tila vaikuttaa. Heikkoa signaalia pitää kuitenkin vahvistaa paljon, jotta siitä saadaan erottuva.

Uudessa teknologiassa kaikkia vahvistimia ei tarvita, jolloin energiankulutus lähellä kvanttiprosessoria putoaa miljoonasosaan.

Aikaisemmin bolometrejä ei olla suunniteltu käytettäväksi kvanttitiedon lukemisessa, koska ne ovat olleet liian hitaita. Grafeenilevyn pieni koko auttaa sitä myös palautumaan nopeammin lämmön vaikutuksesta, jolloin se on erittäin nopea.

– Nyt mittausnopeus on vain 100 nanosekunnin luokkaa eli yhtä nopea kuin nykyiset menetelmät. On hyvät mahdollisuudet, että tästä tulisi nykyistä parempi mittaustapa, mutta toki se vaatii vielä lisää tutkimusta ja kehitystä, Möttönen toteaa.

Pähkinänkuoreen tiivistettynä tämä teknologia on siis aiempaa yksinkertaisempaa, tarkempaa ja vähäkulutteisempaa. Osaltaan se voi vaikuttaa kvanttitietokoneiden saavutettavuuteen tulevaisuudessa.

Herruus julistettiin jo viime vuonna, mutta milloin saadaan hyöty?

Viime vuonna kvanttitietokoneiden kentällä otettiin suuri harppaus eteenpäin, kun ohjelmistojätti Google julisti voittaneensa kilpailun kvanttiherruudesta. (siirryt toiseen palveluun)

Yhtiön Sycamore-tietokoneen kerrottiin laskeneen 200 sekunnissa sen, mihin maailman tehokkaimilla supertietokoneilla olisi mennyt 10 000 vuotta.

Jos nykyaikaiset supertietokoneet olisi keksitty samalla kuin sumerilaiset alkoivat pitää kirjaa nuolenpääkirjoituksella, olisi laskutoimitus kohta puolivälissä.

Taiteellinen näkemys grafeenibolometrista, jota ohjataan sähkökentällä. Kuva: Heikka Valja

Kvanttitietokoneen nopeus on siis erittäin vaikuttava, mutta hyötyä siitä ei vielä ole saatu. Nykyiset koneet eivät vielä osaa ratkaista käytännön ongelmia.

Kvanttitietokoneisiin on viime vuosina satsattu merkittävästi rahaa. Valtio on investoinut 20 miljoonaa euroa siihen, että VTT:lle saataisiin oma kvanttitietokone.

Kavanttitietokonetta Suomessa kehittää myös Aallon ja VTT:n spinout-yritys IQM (siirryt toiseen palveluun), joka on saanut Europpan investointipankista työhön 17 miljoonaa euroa.

Maailman mittakaavassa satsaukset ovat kuitenkin vasta pennejä ja äyrejä. Saksa on nyt investoimassa kaksi miljardia euroa kvanttiteknologiaan. Kiina jopa 10 miljardia.

"Ei tarvitse edes miettiä, kannattaako sijoitus"

Teknologia on siis kallista, kuinka nopeasti tällainen laite sitten maksaisi itsensä takaisin, jos se Suomeen saataisiin?

– Suomessa puhutaan kuitenkin niin pienistä summista, että ne tulevat melkein välittömästi takaisin, jos kvanttihyöty saavutetaan, Möttönen vastaa.

Möttösen mukaan on niin montaa asiaa, joissa kvanttitietokone hyödyttäisi, ettei tarvitse edes miettiä onko se valtioiden mittakaavassa kannattava sijoitus vai ei.

Kvanttikone voisi ratkaista monia kemian ja fysiikan ongelmia, jotka monimutkaisuutensa takia olisivat mahdottomia ratkaista parhaillakaan supertietokoneilla.

Pitkällä tähtäimellä kvanttitietokoneista halutaan kehittää sellaisia, että niiden laskuvirheet pystytään korjaamaan prosessin yhteydessä. Möttönen arvioi, että voi mennä 15 vuotta ennen kuin tähän päästään.

Kvanttihyödyn saavuttaminen voi kuitenkin olla mahdollista silloin tällöin väärin laskevilla koneilla. Jos siinä onnistutaan, voi läpimurto tulla huomattavasti aiemmin.

Nyt Naturessa esiteltävä työ on tehty Suomen Akatemian kvanttiteknologian huippuyksikössä Möttösen ja professori Pertti Hakosen ryhmien yhteistyönä.

Lue myös:

Suomalaistutkijat kehittivät kvanttitietokoneisiin nopeutta antavan piirijäähdyttimen

Suomalaisyritys sai yli 11 miljoonaa euroa kvanttitietokoneen kehittämiseen

Tulevaisuutesi on kenties pian ennustettavissa tieteellisesti – tieteilijät kehittivät povaavan kvanttitietokoneen