kvanttitietokone

Video: Tällainen möhkäle on tulevaisuuden tietokoneiden kvanttiprosessori

Tulevaisuuden kokonaan uudenlaisten tietokoneiden kehityksessä on otettu suuri, mutta samalla superpieni harppaus eteenpäin: näiden tietokoneiden tekemisessä hyvin aktiivinen IBM julkisti tänään 16 ja 17 kubitin kvanttiprosessorinsa.

Tehokkaampi 17 kubitin prosessori on ensimmäinen prototyyppi tulevasta kaupallisesta kvanttiprosessorista. 16 kubittinen versio puolestaan palvelee sovelluskehittäjiä, tutkijoita ja alan harrastajia uusien innovaatioiden kehittämiseksi. 

Kvanttitietokoneet käyttävät hyväkseen atomien kvanttitilojen superpositiota, eli "normaalien" tietokoneiden bittien – jotka voivat olla yksi tai nolla – sijaan kvanttilaskennassa käytetään ns. kubittejä. Yksi kubitti voi sisältää joko ykkösen, nollan tai niiden superposition. 

Teoriassa kvanttitietokoneet voisivat toimia paljon nykytietokoneita nopeammin,  mutta niiden tekeminen on osoittautunut hankalaksi, koska niiden toiminnassa hyödynnetään todennäköisyyslaskentaa ja sen valjastaminen rutiinikäyttöön on vaikeaa. 

IBM:n lisäksi pitkällä kvanttitietokoneiden tekemisessä on kanadalainen D-Wave Systems ja Google, joka on tosin vasta luvannut julkistaa oman tekniikkansa myöhemmin tänä vuonna. 

Tämän ensimmäisen kaupallisen kvanttiprosessoriprototyypin sisuksista löytyy 17 kubittia, joukko arkkitehtuurisia ja teknisiä parannuksia. 

Kvanttiprosessori sisältä

Kvanttitietojenkäsittely mahdollistaa tulevaisuudessa sellaisten ongelmien ratkaisun, joihin tämän päivän perinteiset supertietokoneet eivät kykene.

Erityisen vahvoilla uudet kvanttitietokoneet ovat muun muassa liiketoiminnan optimoinnissa, kemian tutkimuksessa, materiaalitieteissä, kognitiivisessa tietojenkäsittelyssä ja pilviympäristöjen tietoturvassa.

Kvanttitietokoneen avulla voitaisiin esimerkiksi ratkaista monimutkaisia toimitusketjuihin, logistiikkaan, riskien hallintaan ja finanssidataan liittyviä optimointihaasteita. Kemistit pystyisivät simuloimaan paremmin vielä selvittämättömiä molekyylitason kysymyksiä tai löytämään tapoja yhdistää kemikaaleja aivan uudella tavalla. Näin voitaisiin kehittää täysin uusia materiaaleja. Kvanttiteknologian avulla salausmenetelmät saadaan aivan uudelle tasolle ja se tekee mahdolliseksi esimerkiksi koneoppimisen entistä tehokkaamman hyödyntämisen.

IBM avasi noin vuosi sitten kvanttiteknologiaa hyödyntävän IBM Quantum Experience -pilviympäristön, jonka avulla käyttäjät pääsivät ensimmäistä kertaa hyödyntämään ja testaamaan kvanttiprosessorin tarjoamia mahdollisuuksia.

Tuolloin esitelty IBM:n kvanttiprosessori koostui viidestä suprajohtavasta kubitista. Nyt julkistettu uusi versio sisältää 16 kubittia, joka mahdollistaa aiempaa vaativammat kokeet ja simulaatiot.

Tutkijat, sovelluskehittäjät ja alan harrastajat pääsevät IBM Quantum Experience -pilviympäristössä testaamaan millaisia innovaatioita uusi prosessori mahdollistaa. Käyttäjät voivat ajaa ympäristössä algoritmejä, tehdä kokeita ja simulaatioita tai perehtyä kubittien toimintaan.

Ohjelmistokehityksen työkalut ovat saatavilla GitHub-sivustolta https://github.com/IBM/qiskit-sdk-py.

Video on IBM:n tuottama ja artikkeli perustuu yhtiön tiedotteeseen.

Avainsanat

Video: näin kvanttitietokonetta voidaan jäähdyttää

Maailmanlaajuinen kilpajuoksu kohti toimivaa kvanttitietokonetta kiihtyy. Kvanttitietokoneella pystymme tulevaisuudessa ratkomaan muuten mahdottomia ongelmia ja kehittämään esimerkiksi monimutkaisia lääkkeitä, lannoitteita tai vaikka tekoälyä.

Nature Communications -tiedelehdessä 8. toukokuuta julkaistu tutkimustulos kertoo, miten kvanttilaskennassa voidaan poistaa haitallisia virheitä. Tämä on uusi käänne kohti toimivaa kvanttitietokonetta.

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

Kvanttitietokonekin tarvitsee jäähdyttimen

Kvanttitietokoneet poikkeavat käytössämme olevista koneista niin, että ne laskevat tavallisten bittien sijaan kvanttibiteillä eli kubiteilla. Kun läppärissäsi rouskuttavat bitit ovat nollia tai ykkösiä, kubitti voi olla samanaikaisesti molemmissa tiloissa. Kubittien muuntautumiskyky on monimutkaisten laskujen edellytys, mutta se tekee niistä myös herkkiä ulkoisille häiriöille.

Kuten tavalliset sähkölaitteet, myös kvanttitietokone tarvitsee mekanismin viilentymiseen. Yhdessä laskussa saatetaan tulevaisuudessa käyttää tuhansia tai jopa miljoonia loogisia kubitteja, ja jotta laskutoimituksesta saadaan oikea tulos, pitää jokainen niistä nollata laskun alussa.

Jos kubitit ovat liian kuumia, nollaus ei onnistu, koska ne hyppivät liikaa eri tilojen välillä. Tähän Mikko Möttönen ryhmineen on kehittänyt ratkaisun.

Jäähdytin tekee kvanttilaitteista luotettavampia

Aalto-yliopiston tutkijaryhmän kehittämä nanokokoinen jäähdytin ratkaisee jättimäisen haasteen: sen avulla lähes kaikki sähköiset kvanttilaitteet voidaan alustaa nopeasti. Näin laitteista tulee tehokkaampia ja luotettavampia.

Kvanttijäähdytin

“Olen työstänyt tätä laitetta viisi vuotta ja vihdoinkin se toimii!”, riemuitsee Möttösen ryhmässä tutkijatohtorina työskentelevä Kuan Yen Tan.

Tan jäähdytti kubitin kaltaista värähtelijää hyödyntämällä yksittäisten elektronien tunneloitumista vain kahden nanometrin paksuisen eristekerroksen läpi. Hän antoi elektronille ulkoisella jännitelähteellä hieman liian vähän energiaa suoraa tunneloitumista varten. Siksi elektroni kaappaa tunneloitumiseen tarvitsemansa lisäenergian läheiseltä kvanttilaitteelta ja siksi laite viilenee. Jäähdytyksen voi kytkeä pois päältä säätämällä ulkoisen jännitteen nollaan. Silloin edes kvanttilaitteen luovutettavissa oleva energia ei riitä puskemaan elektronia eristeen läpi.

“Meidän laitteella saadaan kvantit kuriin”, Mikko Möttönen kiteyttää.

Seuraavaksi tutkijat aikovat jäähdyttää ihan oikeita kvanttibittejä, laskea jäähdyttimellä saavutettavaa minimilämpötilaa ja rakentaa sen on/off-kytkimestä supernopean.

Juttu on Aalto-yliopiston tiedote lähes suoraan kopioituna.

Fyysikot kesyttivät pimeän tilan kvanttitietokoneiden teknologiaksi

To, 02/25/2016 - 14:58 By Markus Hotakainen
Pimeän tilan tutkimusjärjestely

Aalto-yliopiston kvanttifyysikot onnistuivat kesyttämään niin kutsutun pimeän tilan, jonka he loivat suprajohtavaan sähköpiiriin.

”Suprajohtavat piirit ovat tällä hetkellä varteenotettavin teknologia kvanttitietokoneen rakentamiseen. Yksi teknologian eduista on, että prosessorin valmistamiseen voidaan käyttää samoja menetelmiä kuin nykyisten klassisten tietokoneiden prosessorien valmistamiseen”, sanoo tutkimusryhmän johtaja Sorin Paraoanu Aalto-yliopistosta.

Tutkijat ympäri maailmaa yrittävät ratkaista ongelmaa, joka liittyy kvanttitilan äärimmäisen tarkkaan hallintaan. Suprajohtavassa piirissä on lukuisia energiatiloja ja tässä tutkimuksessa tarkasteltiin erityisesti kolmea alinta tilaa. Niiden ominaisuuksia voidaan hyödyntää kvanttikolmitasologiikan rakennuspalasina esimerkiksi kvanttitietokoneessa. 

Käyttämällä huolellisesti suunniteltujen mikroaaltopulssien muodostamaa sarjaa tutkijaryhmä onnistui hyödyntämään sähköpiiriin synnyttämäänsä pimeää tilaa. Näin saatiin luotua superpositio, jossa piiri on samanaikaisesti perustilassaan ja toisessa viritystilassaan.

Suprajohtava piiri on keinotekoinen atomi, joka on piikiekolle valmistettu kondensaattoreista ja tunneliliitoksista koostuva sähköpiiri. Suoritetussa kokeessa piiriä käytettiin tilassa, jossa se ei vastaanota tai säteile lainkaan tietyn taajuisia mikroaaltoja. Sähköpiiri ikään kuin piilottelee näkymättömyysviitan alla, ja siksi sitä kutsutaan pimeäksi tilaksi.

"Kokeellisten tulosten sekä sähköpiiriä kuvaavan teoreettisen mallin vastaavuus on hämmästyttävän hyvä. Se kertoo meille, että ymmärrämme tarkasti kuinka piiri käyttäytyy ja voimme hallita sitä. Koe osoittaa, että kolmitasopiirejä voidaan käyttää kvanttiprosessoreissa tavanomaisten kaksitasoisten kvanttimekaanisten bittien sijaan", kertoo tohtorikoulutettava Antti Vepsäläinen.

Prosessissa siirtynyt energiamäärä vastaa suunnilleen yhden mikroaaltofotonin energiaa, jollaisia löytyy muun muassa mikroaaltouuneista tai jotka välittävät tietoa matkapuhelinverkoissa. 

Piirin lopullinen tila mitattiin käyttämällä kvantti-tomografiaa. Tekniikan avulla systeemin aaltofunktio voidaan rakentaa uudelleen mittaamalla sitä useissa eri superpositiotiloissa, jotka luodaan mikroaaltopulsseilla.

Kokeessa havaittiin myös eräs kiehtova yksityiskohta, kun tutkijat virittivät keinotekoisen atomin perustilasta toiseen energiatilaan ja käyttivät mikroaaltopulsseja epäintuitiivisessa järjestyksessä. Tällöin ensimmäinen pulssi kytkee ensimmäisen energiatilan toiseen energiatilaan ja vasta tämän jälkeen lähetetään pulssi, joka kytkee perustilan ensimmäiseen energiatilaan.

"Oletetaan, että haluat matkustaa Helsingistä New Yorkiin, mutta sinun on vaihdettava konetta Lontoossa", selittää Sorin Paraoanu. 

"Ensin lennät Helsingistä Lontooseen, odotat jonkin aikaa lentokentällä, minkä jälkeen nouset New Yorkin koneeseen. Kvanttimaailmassa pääsisit nopeammin perille, jos nousisit Helsingistä Lontooseen menevään koneeseen vasta jonkin aikaa New Yorkin koneen lähdettyä. Et vietä lainkaan aikaa Lontoossa ja saavut New Yorkiin juuri kun kone Helsingistä laskeutuu Lontooseen. Tämä kuulostaa tyrmistyttävältä, mutta koe osoittaa, että kvanttimaailmassa asiat toimivat juuri näin."

Paitsi että kokeesta on hyötyä kvanttilaskennassa, tuloksella on merkittäviä käsitteellisiä seurauksia. Ymmärryksemme todellisuudesta pohjautuu enimmäkseen jatkuvuuden periaatteeseen: vuorovaikutukset välittyvät paikasta toiseen kulkemalla ensin kaiken välissä olevan läpi. 

Todelliset kappaleet eivät ilmesty minnekään tyhjästä. Tästä huolimatta kokeessa käytetty menetelmä vaikuttaa uhmaavan tätä periaatetta. Kuten taikurien näytöksessä, kvanttifysiikka sallii esineiden ilmestyvän sinne ja tänne kuin tyhjästä.

Tutkimuksesta kerrottiin Aalto-yliopiston tiedotteessa, johon uutisen teksti perustuu, ja se on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä

Kuva: Antti Paraoanu