Kvanttitietokoneen kubitti voi harhautua myös muuksi kuin nollaksi tai ykköseksi – Mikko Möttönen tiimeineen aikoo suitsia kubittien virheitä

Aalto-yliopiston ja VTT:n professori Mikko Möttönen on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta 2,5 miljoonan euron ERC Advanced Grant -rahoituksen ConceptQ-hankkeelle. Kyseessä on jo Möttösen viides tutkimusrahoitus Euroopan tutkimusneuvostolta. ERC-rahoitus on erittäin kilpailtua.

Uudessa hankkeessa Möttösen vetämä tiimi kehittää uutta kubittia, jonka avulla saadaan aikaan aiempaa tarkempia kvanttioperaatioita, esimerkiksi laskentaa kvanttitietokoneissa. Lisäksi hankkeessa kehitetään millikelvinin lämpötilassa eli äärimmäisen lähellä absoluuttista nollapistettä toimivaa elektroniikkaa.

”Uusi kubitimme ei vaadi valmistusprosessin muutosta. Tässä hankkeessa piirretään siis uusi prosessori, mutta tutuista materiaaleista. Uuden kubitin rakenne on myös hyvin yksinkertainen. Yksinkertaisempi yleensä toimii varmemmin. Rakenteessa ei ole saarekkeita, jonne elektronit voisivat jäädä loukkuun, eikä kubitti reagoi herkästi esimerkiksi sähkökentän häiriöihin”, Möttönen sanoo.

Tärkein syy siihen, että uusi kubitti voi olla parempi tai nopeampi kuin nykyisin kvanttitietokoneissa yleisesti käytössä oleva transmon-kubitti, on kuitenkin aiempaa epäsäännöllisempi sähkön edestakainen liike eli epälineaarisuus.

”Juuri voimakkaamman epälineaarisuuden vuoksi uutta kubittia voi operoida nopeammin ilman, että se harhautuu nollasta ja ykkösestä väärille tasoille, kuten kakkoseksi tai kolmoseksi”, Möttönen kertoo ja jatkaa:

”Operaatio on tarkempi, koska sen aikana ei ehdi tulla niin paljon virheitä kuin normaalisti. Nykyinen transmon-kubitti lipsahtaa melko herkästi vääriin tiloihin, jos sitä yrittää operoida liian nopeasti. Laskenta menee siis pieleen ja lopputulos on todennäköisesti väärä.”

Toisin kuin perinteisen tietokoneen bitti, joka voi saada arvokseen vain nollan tai ykkösen, kvanttitietokoneen kubitti voi saada molemmat arvot yhtä aikaa. Tätä kutsutaan superpositioksi, ja se on kvanttitietokoneiden suuren laskentapotentiaalin salaisuus.

Periaatteessa kubitilla on ääretön määrä tiloja, ja myös tilat kaksi ja kolme voivat olla superpositiossa. Kahden tilan kubitin lisäksi kvanttimaailmassa tunnetaan myös kutritti, jolla on kolme tilaa ja siksi enemmän informaatiota kuin kubitissa.

”Mutta ei tietokoneen bitissäkään ole kolmea tilaa. Kubitti on yksinkertaisin ja varmin. Kolmas tila hajoaa ensimmäiseksi matalassa lämpötilassa, ja kaksi hajoaa ykköseksi nopeammin kuin yksi nollaksi. Myös superpositio nollan ja kahden välillä sotkeutuu nopeammin kuin nollan ja yhden. Näitä ylimääräisiä tiloja ei yleensä käytetä laskentaan”, Möttönen kertoo.

Tavoitteena ylivertainen laskenta

Hankkeessa kehitetään myös matalassa lämpötilassa toimivaa elektroniikkaa, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi kvanttitietokoneissa.

”Elektroniikka integroidaan lähelle kubittia, jolloin tehon kulutus pienenee merkittävästi. Tulevaisuudessa kvanttiprosessorit ovat yhä suurempia, ja meidän kehittämämme elektroniikan ansiosta jokaiselle kubitille ei tarvitsisi vetää omaa ohjauskaapelia”, Möttönen sanoo.

Möttönen kehittää tiimeineen myös kvanttialgoritmia, joiden avulla kvanttitietokoneiden laskentateho saadaan mahdollisimman hyvin hyödynnettyä. Vielä kvanttitietokoneiden teho ei yllä supertietokoneiden tasolle.

Hankkeella voi olla pitkällä aikavälillä monia sovellusalueita muun muassa kvanttisensoreissa ja simulaattoreissa sekä kvanttitermodynamiikassa, tietoturvassa ja tekoälysovelluksissa.

”Matka tutkimuksesta kaupalliseen käyttöön riippuu paljolti siitä, mitä käyttöönotto vaatii. Jos kyseessä on vain uusi menetelmä, joka käyttää jo olemassa olevia kubitteja, se voi olla kaupallisessa käytössä jo vuoden sisällä keksinnöstä. Jos uusi idea taas vaatii uutta rautaa tai valmistusprosessin uudelleen suunnittelua, tie hyötykäyttöön on hitaampi. Uusien materiaalien tarve sirujen valmistuksessa hidastaa soveltamista edelleen. Mitä pienemmällä työllä uuden idean saa ujutettua mukaan, sitä parempi. Toki jos edut ovat valtavan suuret, sitten on motivaatiota tehdä suuria muutoksia”, Möttönen pohtii.

Erikoistumalla menestykseen

Möttösen ryhmässä on vuosien saatossa tutkittu myös kvanttipisteitä ja elektronipumppuja. Nämä tutkimusalueet ovat nyt jääneet kokonaan pois.

”Jos haluaa olla maailman huipulla jossain, ei voi tehdä kaikkea. On pakko erikoistua tiettyihin ongelmiin. Suprajohtavissa piireissä olemme saaneet paljon parempia tuloksia kuin esimerkiksi kvanttipistetutkimuksessa”, Möttönen sanoo.

Möttösen saamista Euroopan tutkimusneuvoston hankkeista kolme on isoja, viisivuotisia hankkeita ja kaksi muuta pienempiä, noin vuoden mittaisia, kvanttiteknologioiden kaupallistamiseen tähtääviä hankkeita.

”Kaikissa Euroopan tutkimusneuvoston hankkeissa olemme tutkineet suprajohtavia sähköpiirejä. Ensimmäisessä hankkeessa tutkimme bolometria eli säteilyilmaisinta, ja se johti vuonna 2020 julkaistuun Nature-artikkeliin ja myös tuoreeseen Tulevaisuuden tekijät -rahoitukseen. Toisessa isossa hankkeessa pyrimme paremmin hallitsemaan piirien häviöitä kvanttipiirijäähdyttimen avulla. Uudessa hankkeessa voidaan hyödyntää näitä aiemmin kehitettyjä ideoita: bolometria ja kvanttipiirijäähdytintä”, Möttönen sanoo.

Möttösen Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmä on osa Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikköä (QTF) ja kansallista kvantti-instituuttia (InstituteQ). Kokeissa hyödynnetään kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria.

Euroopan tutkimusneuvosto ERC myöntää rahoitusta huippututkijoille korkeatasoiseen ja uraauurtavaan tutkimukseen. ERC Advanced Grant -rahoituksen saaneet tutkijat ovat viimeisen kymmenen vuoden aikana saavuttaneet hyvin merkittäviä tutkimustuloksia. Suomeen on tähän mennessä myönnetty ERC Advanced -rahoitusta yhteensä 58 hankkeelle.

Möttönen on aiemmin saanut lupaaville nuorille tutkijoille myönnettävän ERC Starting Grant -apurahan sekä uransa vakiinnuttaneille huippututkijoille tarkoitetun ERC Consolidator Grant -apurahan. Hänen lisäkseen kolmeen viisivuotiseen ERC-rahoitukseen on Suomessa yltänyt vain kaksi tutkijaa: Aallon professori Mika Sillanpää (Starting, Consolidator & Advanced) ja Itä-Suomen yliopiston professori Seppo Ylä-Herttuala (3 × Advanced).