Tiede

Suomalaistutkijoilta läpimurto – keksivät laitteen, joka jäähdyttää tulevaisuuden supertietokoneen

Aalto-yliopistossa kehitettyä kvanttipiirijäähdytintä voidaan käyttää lähes kaikissa kvanttisähköisissä laitteissa. Jäähdytintä ei ole vielä kokeiltu oikeissa kvanttitietokoneen kubiteissa, mutta tutkimusryhmää johtavan kvanttifyysikko Mikko Möttösen mukaan ryhmä on jo aloittanut kvanttibittien eli kubittien ja niihin kytkettävän jäähdyttimen rakentamisen.

Kuan Yen Tan
Suomalaistutkijoilta läpimurto – keksivät laitteen, joka jäähdyttää tulevaisuuden supertietokoneen

Tutkijoiden kehittämässä senttimetrin kokoisessa piisirussa on kaksi sirun reunasta toiseen ulottuvaa värähtelijää. Jäähdyttimet sijaitsevat tikapuuta muistuttavien rakenteiden kohdalla. Ne eivät kuvassa erotu, koska ne ovat niin pieniä.

Vesa VanhalakkaAamulehti

Suomalaistutkijat ovat tehneet merkittävän läpimurron kehittämällä ensimmäisenä maailmassa jäähdyttimen, jonka avulla voidaan vähentää kvanttilaskennan virheitä. Kvanttipiirijäähdytintä voidaan hyödyntää lähes kaikissa kvanttimekaniikan periaatteella toimivissa sähkölaitteissa, kuten esimerkiksi kvanttitietokoneissa ja säteilyilmaisimissa.

Jäähdyttäminen on yksi suurista esteistä toimivien kvanttitietokoneiden rakentamisen tiellä.

- Kehittämällämme jäähdyttimellä voidaan jäähdyttää melkein mitä tahansa kvanttisähköistä laitetta. Ei tällaista ole kukaan koskaan ennen tehnyt, kvanttifyysikko Mikko Möttönen sanoo. Möttönen johtaa kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmää Aalto-yliopistossa Otaniemessä.

Kvanttilaitteiden jäähdyttäminen on iso haaste kvanttiteknologian kehittämisessä. Ilman tehokasta jäähdyttämistä sähköisten kvanttilaitteiden alustaminen eli nollaaminen ei onnistu. Jos nollaaminen ei toimi, laitteet eivät ole luotettavia eivätkä tehokkaita.

Möttösen mukaan myös jäähdyttimen jatkokehitys näyttää erittäin lupavalta. Tutkimusryhmä sai äskettäin kahden miljoonan euron rahoituksen kvanttibittien rakentamiseen Euroopan tutkimusneuvostosta ERC:stä.

- Minulla on hyvä tiimi ja olen pystynyt palkkaamaan lisää ihmisiä ryhmään. Kaikki näyttää nyt tosi hyvältä.

Tutkimuksen julkaisi maanantaina arvostettu Nature Communications -lehti.

Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto
Mikko Möttösen (oik.) johtamassa kvanttitutkimusryhmässä on monta lahjakasta tutkijaa. Kuan Yen Tan on yksi heistä.

Mikko Möttösen (oik.) johtamassa kvanttitutkimusryhmässä on monta lahjakasta tutkijaa. Kuan Yen Tan on yksi heistä.

Kvanttitietokoneen laskentateho on ylivertainen

Maailmalla kehitetään kilvan supernopeita kvanttitietokoneita. Jos suuren mittakaavan kvanttitietokone onnistutaan rakentamaan, sen avulla voitaisiin ratkaista nykyisille tietokoneille mahdottomia ongelmia.

Kvanttitietokone eroaa nykyisistä tietokoneista siinä, että se laskee bittien sijasta kvanttibiteillä eli kubiteilla.

Sinun käyttämäsi tietokoneen bitit voivat olla joko asennossa 1 tai 0.

Kvanttitietokoneen kubitit voivat olla ykkösiä ja nollia samaan aikaan. Kvanttitietokoneiden valtaisa laskentateho perustuu tähän kvanttibittien muuntautumiskykyyn.

Kvanttitietokoneessa liikutaan kvanttien eli yksittäisten energiatilojen tasolla. Kvanttia pienemmäksi tilaa ei voi jakaa. Siksi kvanttibitti on erittäin herkkä kaikille ulkopuolisille häiriöille.

- Tavallisessa tietokoneessa yhden bitin määrittää hirvittävän monta elektronia. Jos bitistä ottaa yhden elektronin pois, ei laskentaan virhettä ilmaannu. Jos heiluttelet yhtä ainutta kvanttibittiä, se tuo saman tien virhettä. Siksi kvanttitietokoneet ovat paljon herkempiä kuin nykyisin käytössä olevat tietokoneet.

Herkkyytensä takia kvanttibitti on suojattava ympäristöstä todella hyvin.

Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto
Kvanttipiirijäähdyttimen kehittämisessä tarvitaan kryostaattia eli superpakastinta. Sen sisällä kvanttilaitteen ja jäähdyttimen sisältävää piisirua on jäähdytetty lähelle absoluuttista nollapistettä.

Kvanttipiirijäähdyttimen kehittämisessä tarvitaan kryostaattia eli superpakastinta. Sen sisällä kvanttilaitteen ja jäähdyttimen sisältävää piisirua on jäähdytetty lähelle absoluuttista nollapistettä.

Kubittien äärimmäisen ulkomaailmasta eristämisen takia kubitit ajan mittaan kuumenevat. Jos kubitit ovat liian kuumia, nollaus ei ole tarkka. Laskenta ontuu, kun kvanttibitit hyppivät liikaa eri tilojen välillä.

Siksi myös kvanttitietokoneet on viilennettävä.

Yhdessä laskussa saatetaan tulevaisuudessa käyttää tuhansia, jopa miljoonia loogisia kubitteja. Jotta laskutoimituksesta saadaan oikea tulos, kubitit pitää nollata eli alustaa aina ennen isompaa laskutoimitusta. Myös laskennan aikana osa kubiteista on nollattava.

Tähän tarvitaan jäähdytintä.

Kvanttimekaanisessa säteilyilmaisimessa toimimaton alustus saattaa aiheuttaa sen, että väärässä tilassa oleva ilmaisin voi väittää näkevänsä säteilyä, vaikka oikeasti säteilyä ei olisikaan.

Kiekko maaliin vaikka läpi maalivahdin

Möttösen mukaan keskeisessä roolissa kvanttipiirijäähdyttimen kehitystyössä on ollut tutkimusryhmässä työskentelevä tutkijatohtori Kuan Yen Tan. Tan on työstänyt laitetta useita vuosia.

Nyt julkaistussa tutkimuksessa kokeita ei ole vielä tehty kubiteilla, vaan jäähdyttämällä kubitin kaltaista värähtelijää. Tässä hyödynnettiin yksittäisten elektronien tunneloitumista kahden nanometrin eli kahden millimetrin miljoonasosan paksuisen eristekerroksen läpi.

Tunneloituminen on äärimmäisen pienten kappaleiden eli kvanttimaailman ilmiö, jossa hiukkanen voi tietyllä todennäköisyydellä tunkeutua esteen läpi.

Eritekerros on hyvin ohut, mutta elektronin silmissä se on kuin valtava vuori.

Koska elektroni on kvanttimekaaninen hiukkanen, sillä on pieni todennäköisyys edetä vuoren läpi.

- Useimmiten tämä ei toteudu, mutta koska elektroneja on hirvittävän paljon, yrityksiä kertyy valtava määrä. Siksi osa elektroneista onnistuu tunneloitumaan vuoren läpi, Möttönen sanoo.

Jos esimerkiksi jääkiekkoa pelattaisiin kvanttitasolla, myös jääkiekon MM-kisoissa Ranskassa maalia kohti laukaistu kiekko livahtaisi aina silloin tällöin maaliin maalivahdin hanskan, mailan tai jopa maalivahdin läpi.

Heikki Valja
Piirretyssä kuvassa violetti fotoni nappaa sinisen elektronin ja vie sen ylös. Elektroni tunneloituu kvanttilaitteelta saamansa lisäenergian avulla. Tämä on jäähdyttimen toimintaperiaate.

Piirretyssä kuvassa violetti fotoni nappaa sinisen elektronin ja vie sen ylös. Elektroni tunneloituu kvanttilaitteelta saamansa lisäenergian avulla. Tämä on jäähdyttimen toimintaperiaate.

”Jäähdytin toimii myös kvanttibiteissä”

Aalto-yliopistossa kehitettyä jäähdytintä ei ole vielä kokeiltu oikeissa kvanttitietokoneen kubiteissa.

- Nyt julkaistussa tutkimuksessa olemme osoittaneet, että periaate toimii. Sitä emme ole vielä näyttäneet, että jäähdytin toimii kvanttibiteissä.

Möttösen innostuneesta äänensävystä voi kuitenkin päätellä, että hän uskoo menetelmän toimivan myös kubiteissa.

- Olen aika varma, että jäähdytin toimii myös kvanttibittien kanssa, sillä teoria näyttää, että asia on näin.

Työ tämän osoittamiseksi on laboratoriossa jo aloitettu.

Seuraavaksi tutkimusryhmässä aiotaan jäähdyttää oikeita kvanttibittejä, laskea jäähdyttimellä saavutettavaa minimilämpötilaa ja rakentaa supernopea kvanttibitteihin integroitava katkaisija, jonka avulla lämmönsäätö voidaan kytkeä nopeasti päälle ja pois päältä.

Koesuunnitelma on jo tehty, ja kvanttibittien valmistus ja jäähdyttimien kytkeminen kubitteihin on aloitettu.

- Toivon mukaan pääsemme kertomaan tuloksista jo ensi vuoden aikana.

Vesa Vanhalakka Twitterissä: @vanhalakka


Kommentit (5)

  • Freelancer

    Alla vähän tarkennusta kvanttitietokoneista.

    Kvanttitietokoneen idea on klassisen 1 / 0 tilojen sijasta esittää yhdellä kubitilla joko 1, 0 tai 0 ja 1 yhtä aikaa. Viimeksi mainittu on ns. kubitin superpositio (engl. superpositio). Kubitit voivat myös lomittautua toistensa kanssa, joka tarkoittaa prosessoritehon kannalta sitä, että N määrä kubitteja voi esittää 2^n (2 potenssiin n) tiloja, joka tekee prosessorista erittäin nopean.

    Kvanttitietokoneen rakentaminen on kuitenkin erittäin vaikeaa. Kubitit pitää ensin saada vastaamaan fyysisen maailman objekteja kuten elektroneja tai atomien ytimiä. Tämän jälkeen kubitteja pitää prosessoida ns. kvanttiporttien (engl. quantum ports) läpi, jotka ovat eri toteutuksissa joko lasereita, mikroaaltoja, sähkökenttiä. Kvanttitietokone tarvitsee näitä kvanttiportteja, koska kubitin suora lukeminen tai havainnointi palauttaa aina vastaukseksi joko 0 tai 1 (klassinen tietokone). Ts. kubitin suora lukeminen hävittää superposition.

    Käytännössä kvanttitietokoneen kvanttiportit toimivat tietyn ja määritetyn _algoritmin_ mukaan. Algoritmin mukaan on olemassa suuri todennäköisyys (todennäköisyysamplitudi), että mitattaessa kubitti palauttaa algoritmin mukaisen _oikean_ arvon. Algoritmeja kvanttitietokoneille ovat määrittäneet muun muassa Peter Shor (1995) ja Lov Grover vuosi tämän jälkeen.

    Yksi asia mikä vaikeuttaa kvanttitietokoneen rakentamista se, että kubitteja pitää kyetä prosessoimaan ja samalla suojaamaan ulkoisilta voimilta kuten lämmöltä ja säteilyltä, jotka hävittävät kubittien herkän superposition (tämän uutisen lämmön suojaamisen idea?). Kubittien superposition häviäminen tapahtuu prosessissa nimeltä dekoherenssi (engl. decoherance). Käytännössä osaa kubiteista käytetään virheenkorjaukseen, mutta nämäkin kubitit voivat menettää tilansa.

    Puhutaan virhetoleranssikynnyksestä: maksimi määrä virheitä, joita kvanttitietokone voi käsitellä kubiteissa, jotka kvanttitietokoneen algoritmit eivät anna väärää tulosta. Mitä enemmän virheitä kvanttitietokoneessa kyetään käsittelemään sen suuremmalla todennäköisyydellä kvanttitietokone on toteuttamisen arvoinen vs. tavallinen tietokone. Uusien virheenkorjausalgoritmien mukaan virhetaajuus voi olla 1 virhe 100 laskutoimituksessa – ennen puhuttiin yhdestä sallitusta virheestä miljoonassa laskutoimituksessa… Käytännössä kvanttitietokoneet ovat tulevaisuutta.

  • SRa

    Minulle ei ole oikein valjennut, miten tulos saadaan sitten selville, kun kubittien tila voi olla yhtä aikaa 0 ja 1. Joku laskee ruutupaperilla oikean tuloksen ja tulkitsee sitten kubitteja ”tuosta otetaan 1, tuosta 1, tuosta 0, …”?

Kirjoita kommentti

Perustele, kirjoita selkeästi, älä vähättele ihmisiä, ÄLÄ HUUDA. Pysy aiheessa ja muista käytöstavat. Kommentit luetaan ja tarvittaessa muokataan ennen julkaisua.

Meillä on nollatoleranssi alatyyliselle ilmaisulle, henkilöön käyvälle arvostelulle ja vihamielisyydelle. Emme julkaise kommentteja, joiden ainoa sisältö on negatiivinen mielipide vailla perusteluja. Jätämme julkaisematta myös ne kommentit, joissa ei lainkaan piitata oikeinkirjoituksesta kuten isoista alkukirjaimista tai välilyönneistä.

Kiitos etukäteen rakentavasta kommentistasi!

Pääaiheet