Uusi askel kvanttitietokoneen kehittelyssä

Aalto-yliopiston QCD-ryhmää johtava professori Mikko Möttönen kertoo muistin lukemisen perustuneen perinteisesti jännitteen ja virran mittaamiseen. Mittaus edellyttää silloin laitetta, joka vahvistaa kubittien erittäin heikkoja jännitesignaaleja. Vahvistin vie tilaa kubitteja säilövässä superpakastimessa, minkä lisäksi menetelmä aiheuttaa kvanttikohinaa, jolta kubitit on suojattava. 

Jännitettä ja virtaa mitattaessa ongelmaksi nousee myös Heisenbergin epätarkkuusperiaate, jonka mukaan näitä kahta ei voida samanaikaisesti määrittää kubitista. Mittaustapa edellyttää siksi useita otoksia.

Ryhmä on esitellyt vaihtoehtoisena mittauskonseptina kubitin tilan selvittämisen lämpösäteilyn avulla. Todentaminen tehdään bolometriksi kutsutulla laitteella. 

Mittauksen perustuessa lämpösäteilyyn epätarkkuusperiaate ei aiheuta ongelmaa.

– Kubittimuistin tilan selvittäminen on periaatteessa mahdollista vain yhdellä mittauksella. Bolometri ei myöskään aiheuta kvanttikohinaa, on paljon vahvistinta pienempi ja kuluttaa virtaa 10 000 kertaa vähemmän.

Vaikka kvanttitietokoneesta on puhuttu jo melko pitkään, konseptilla ei ole vielä ratkaistu käytännön tasolla yhtään ongelmaa perinteistä laskentaa tehokkaammin. Möttösen mukaan eräänlainen proof of concept -vaihe on kuitenkin jo saavutettu. Kubittien avulla on ratkaistu joitain yksinkertaistettuja tehtäviä.

–Testiongelmina on selvitetty esimerkiksi molekyylien ja yhdisteiden rakenteita, optioiden hinnoittelua ja reititystehtäviä.

Konkreettista näyttöä laskentakonseptin mahdollisuuksista on tietysti hankala tuottaa koska itse laitteen kehittely on vielä kesken.  Haasteina on esimerkiksi kubittien määrän kasvattaminen, informaation säilyminen näissä sekä muistin luotettava ja tarkka lukeminen. 

Kvanttitietokonetta ei Möttösen mukaan kannata lopultakaan käyttää kaikkiin laskentatehtäviin. Tietyn tyyppisissä tehtävissä kvanttitietokone löisi kuitenkin laudalta tehokkaimmatkin nykyiset koneet. 

Perinteisen tietokoneen tuottaessa syötteestä yhden tuloksen, kvanttikone voi käsitellä yhtäaikaisesti kaikkia mahdollisia tuloksia, joiden joukosta vahvistuu yksi.

Vahvistuminen perustuu kubittien vuorovaikutukseen kvanttien lomittumisilmiön kautta. 

Koska kubitit ovat myös aaltoja, nämä vahvistavat tai vaimentavat toinen toisiaan interferenssin myötä. Muistissa on vuorovaikutukseen perustuvia ”kvanttiportteja”, joiden avulla tehtävän oikea vastaus pyritään seulomaan esiin. Aaltojen vahvistumisen ja vaimenemisen myötä joukosta erottuu lopulta tietty jono ykkösiä ja nollia.

Konseptin katsotaan soveltuvan erityisesti tehtäviin, joissa syötteitä on paljon ja mahdollisia tuloksia valtava määrä.