Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Eric Hyyppä

Väitöskirjan nimi: High-fidelity elementary operations for superconducting quantum computers

Tohtoriopiskelija: Eric Hyyppä
Vastaväittäjä: professori Andrew Houck, Princeton University, Yhdysvallat
Kustos: professori Mikko Möttönen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Väitöstyön tulokset auttavat parantamaan operaatioiden tarkkuutta ja suoritustaajuutta suprajohtavissa kvanttietokoneissa. Joitakin työn tuloksista hyödynnetään jo suomalaisen IQM-yrityksen kvanttitietokoneissa.

Kvanttitietokoneet käyttävät laskennassaan lomittumisen ja superposition kaltaisia perustavanlaatuisia kvantti-ilmiöitä, mikä mahdollistaa teoriassa joidenkin laskennallisten ongelmien ratkaisemisen eksponentiaalisesti tehokkaammin kuin tavallisilla tietokoneilla. Tämän seurauksena kvanttitietokoneet saattavat tulevaisuudessa vauhdittaa muun muassa molekyylien ja materiaalien mallintamista sekä tietynlaisten optimointiongelmien ratkaisua. Pohjimmiltaan kvanttitietokoneiden laskenta perustuu sarjaan alkeisoperaatioita, joihin kuuluvat kvanttibittien eli kubittien alustaminen tunnettuun tilaan, yhden ja kahden kubitin logiikkaportit sekä kubittien tilan mittaaminen. Vaikka kvanttitietokoneet ovatkin jo muuttuneet tieteisfiktiosta todeksi, nykyisten kvanttitietokoneiden alkeisoperaatiot ovat vielä liian virhealttiita, jotta ne voisivat päihittää tavalliset supertietokoneet hyödyllisissä laskutoimituksissa.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan uusia menetelmiä alkeisoperaatioiden tarkkuuden parantamiseksi suprajohtavissa kvanttitietokoneissa, joissa kubitit perustuvat sähköisillä signaaleilla ohjattuihin suprajohtaviin sähköpiireihin. Keskeisenä tavoitteena on parantaa tarkkuutta ja nopeutta yhden ja kahden kubitin logiikkaporteissa sekä kubittien alustamisessa. Tähän pyritään kehittämällä uudenlaisia suprajohtavien piirien komponentteja ja aiempaa tarkempia menetelmiä kubittien ohjaussignaalien optimointiin. Tärkeimpinä tuloksina väitöskirja esittelee uuden suprajohtavan unimon-kubitin sekä uusia analyyttisiä pulssimuotoja kubittien tilan ohjaamiseen. Unimon-kubitissa yhdistyy useita tarkkojen logiikkaporttien kannalta hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten suuri epäharmonisuus, suoja matalantaajuuden sähköiseltä kohinalta, ja yksinkertainen rakenne. Uudet analyyttiset pulssimuodot auttavat vähentämään vuotovirheitä laskenta-avaruuden ulkopuolisiin tiloihin, mikä mahdollistaa aiempaa nopeammat ja tarkemmat yhden kubitin logiikkaportit. Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan kvanttipiirijäähdyttimen soveltamista suprajohtavien piirien alustamiseen sekä tarkkojen kahden kubitin logiikkaporttien toteuttamista skaalautuvassa kvanttiprosessoriarkkitehtuurissa. Tiivistettynä työn tulokset auttavat tekemään kvanttilaskennasta tarkempaa matkalla kohti kvanttihyötyä.

Avainsanat: Kvanttitietokone, suprajohtava kvanttipiiri, kubitti, kvanttioperaatio, yhden kubitin logiikkaportti, kahden kubitin logiikkaportti, vuotovirhe, kvanttipiirijäähdytin

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/ 

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52