Suomalaistutkijoilta merkittävä askel kohti kvanttitietokonetta – "Tavoite on tehdä mahdottomista tehtävistä mahdollisia"

Kvanttitietokoneen rakentaminen on yksi ihmiskunnan suurimmista haasteista, ainakin jos on uskominen Aalto-yliopiston dosenttia Mikko Möttöstä. Kvanttitietokone on ominaisuuksiltaan ylivertainen klassiseen tietokoneeseen verrattuna. Kyse ei ole kuitenkaan pelkästä laskentatehosta.

– Ajatus ei ole, että yritetään tehdä nopeampaa laskentaa. Pääpointti on tehdä mahdottomista tehtävistä mahdollisia, Möttönen sanoo.

– Esimerkiksi tiettyjen kemiallisten yhdisteiden mallinnusta ei voida tehdä klassisilla koneilla tarkasti, mutta kvanttitietokone pystyisi siihen.

Möttönen puhuu "kvanttihyödystä" – koneesta, joka pystyisi ratkaisemaan käytännön ongelmia nopeammin, tarkemmin tai halvemmalla kuin nykyiset supertietokoneet.

Yhden askeleen tässä mahdottomuuksien jalostamisessa mahdollisuuksiksi ovat nyt ottaneet Aalto-yliopiston ja Oulun yliopiston tutkijat. Arvostetussa Nature Physics -lehdessä tänään maanantaina julkaistu artikkeli Broadband Lamb shift in an engineered quantum system on Möttösen mukaan maailmanlaajuisesti merkittävä alallaan.

Tutkimus toteutettiin Suomen Akatemian koordinoimassa Kvanttiteknologian huippuyksikössä, joka sijaitsee Otaniemessä.

Kvanttitietokoneiden toiminta perustuu kubitteihin eli kvanttibitteihin. Jotta kvanttilaitteilla voidaan ratkaista käytännön ongelmia, tulee kubittien säilyttää energiatilansa mahdollisimman pitkään. Tästä syystä tutkijat ovat yleensä yrittäneet poistaa kvanttilaitteista energiahäviöt mahdollisimman hyvin.

Möttönen on lähestynyt tutkimusryhmänsä kanssa asiaa päinvastaisesta näkökulmasta.

– Ymmärsimme jo vuosia sitten, että kvanttitietokoneet tarvitsevat häviöitä toimiakseen tehokkaasti. Kaikkia häviöitä ei pidä poistaa, vaan olennaista on pystyä hallitsemaan niitä.

 

Artikkelissaan tutkijat osoittavat, kuinka he voivat halutessaan nopeuttaa häviöitä tuhatkertaisiksi korkealaatuisessa suprajohtavassa värähtelijässä. Värähtelijöitä käytetään kvanttitietokoneissa.

– Pääsääntöisesti kubitti halutaan pitää vähähäviöisenä, mutta laskennassa on myös hetkiä, jolloin halutaan paljon häviöitä. Jos kubittia eli koneen muistia halutaan nollata, fysiikan lait sanovat, että sitä ei voida tehdä ilman energiahäviötä, Möttönen selittää.

– Kehittämämme kvanttipiirijäähdytin mahdollistaa häviöiden hallinnan. Tätä tarvitaan tulevaisuuden kvanttitietokoneiden rakentamisessa, ja mielestämme muistin nollauksessa tämä jäähdytin näyttää parhaalta mahdollisuudelta.

 

Toinen löytö sattumalta

Tutkimusartikkelin pääkirjoittajan Matti Silverin mukaan vielä merkittävämpi tutkimustulos löytyi kuitenkin yllättäen.

– Havaitsimme, että suprajohtavan värähtelijän taajuus siirtyi, kun kytkimme häviöt päälle. Tämä löydös vei meidät aikamatkalle seitsemänkymmenen vuoden taakse, Silveri sanoo.

– Tuolloin nobelisti Willis Lamb teki ensimmäiset mittauksensa vetyatomin energiatilojen pienistä siirtymistä. Tämä on ensimmäinen kerta, kun ilmiö on kokeellisesti havaittu rakennetuissa kvanttisysteemeissä.

Möttösen tutkijaryhmä ei osannut aluksi selittää, miksi värähtelijän energiatila siirtyi samalla kun piirijäähdytin kytkettiin päälle. Paljastui, että kyseessä oli niin sanottu Lambin siirtymä, joka nähtiin seitsemänkymmentä vuotta sitten vetyatomeissa.

– Fysiikan kannalta tämä löytö oli tutkimuksemme helmi, Möttönen toteaa.

Löydöllä on kuitenkin merkitystä myös kvanttitietokoneen rakentamisen kannalta.

– Kvanttitietokoneita rakennettaessa pienetkin energiasiirtymät voivat olla todella tärkeitä. Prosessori halutaan suunnitella erittäin tarkasti, ja siksi tämä siirtymä on oleellista ymmärtää.

 

Kohti kvanttitietokonetta kymmenen vuoden sisällä

Möttösen mukaan kvanttitietokoneita on jo rakennettu, mutta niillä ei vielä ole saavutettu niin sanottua kvanttihyötyä.

– Niissä on nykyisin hyvin vähän muistia: maksimissaan 20 kubittia. Jotta mahdollista kvanttihyötyä voitaisiin saavuttaa, eli voitaisiin ratkaista oikeita käytännön ongelmia, tarvittaisiin koneisiin muistia 50–100 kubittia.

Kehitys on ollut alalla nopeaa viimeisten viiden vuoden aikana. Maailmalla toimii useita ryhmiä, jotka yrittävät rakentaa käytännöllistä kvanttitietokonetta. Möttönen sanoo, että periaatteessa "isoja uutisia" voidaan kuulla jo lähivuosina.

– Sitä aikaa tässä nyt eletään, että kvanttihyöty on horisontissa. Yleisimmät veikkaukset valmistumisen ajasta ovat 4–10 vuotta.

 

Samaan hengenvetoon Möttönen haluaa kuitenkin muistuttaa, ettei mikään ole varmaa – ei edes se, saadaanko kvanttitietokonetta ikinä rakennettua.

– Tieteilijänä on pakko sanoa, että emmehän me varmasti tiedä, onko toimivaa ison mittakaavan konetta mahdollista edes rakentaa. Ei sellaista ole koskaan tehty.

– Kvanttitietokoneen potentiaali on kuitenkin niin valtava, että tämä kortti halutaan katsoa. Tällä hetkellä näyttää todennäköisemmältä, että kvanttitietokoneen rakentaminen olisi mahdollista kuin että ei olisi, Möttönen arvioi.

Tämä sisältö on vain tilaajille.

Tilaa Keskisuomalainen verkko 1 kk / 6 €

Tilaa tästä!

Jos olet jo tilaaja, .