Uutiset

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

Tutkimushanke sai juuri EU:lta 2,5 miljoonan euron rahoituksen.
Mikko Möttönen and his Quantum Computing and Devices (QCD) group carry out research in Micronova. Photo Mikko Raskinen.
"Uutta kubittia voi operoida nopeammin ilman, että se harhautuu nollasta ja ykkösestä väärille tasoille, kuten kakkoseksi tai kolmoseksi”, Mikko Möttönen kertoo. Kuva: Mikko Raskinen.

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.

From left: Mikko Möttönen, doctoral student Arto Viitanen, and Valtteri Lahtinen, who recently launched the Quanscient startup. Picture. Mikko Raskinen.
Vasemmalta Mikko Möttönen, tohtorikoulutettava Arto Viitanen ja hiljattain Quanscient-yrityksen perustanut Valtteri Lahtinen työn touhussa Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmässä. Kuva: Mikko Raskinen.

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.

Mikko Möttönen

”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).

ERC Advanced Grant -rahoituksen saaneet (englanniksi)

Katso Euroopan tutkimusneuvoston juttu hankkeesta (englanniksi)

Katso avoimet työpaikat: ERC Postdoctoral Researchers in Superconducting Qubits, Experimental

Lisätietoja:

Lue lisää:

Physicists at Aalto University and VTT have developed a new detector for measuring energy quanta at unprecedented resolution. Photo: Aalto University

Tutkijat kehittivät maailman tarkimman säteilyilmaisimen – nyt se räätälöidään osaksi kvanttitietokoneita

Professori Mikko Möttönen on tiiminsä ja yhteistyökumppaniensa kanssa saanut Jane ja Aatos Erkon säätiöltä ja Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiöltä Tulevaisuuden tekijät -ohjelman rahoituksen. Sen avulla he haluavat jalostaa bolometriteknologian osaksi paitsi kvanttitietokoneita myös superpakastimia ja terahertsikameroita. Kyseessä olisi ensimmäinen kerta, kun uutta bolometria hyödynnetään käytännön sovelluksissa.

Uutiset
Artistic impression of an on-chip microwave source controlling qubits. Credit: Aleksandr Kakinen

Uusi mikroaaltokeksintö voi lisätä kvanttitietokoneiden tehokkuutta

Nyt suomalaistutkijat ovat Aalto-yliopiston ja VTT:n johdolla kehittäneet kubittien hallintaan uuden ratkaisun, joka voi auttaa kasvattamaan kvanttitietokoneiden laskennassa käytettävien kubittien määrää ja samalla mahdollistaa jopa siirtymisen pienempiin kryostaatteihin.

Uutiset
Artistic image of a graphene bolometer controlled by electric field. Credit: Heikka Valja.

Rajapyykki saavutettu - uusi säteilyilmaisin on riittävän nopea kvanttitietokoneisiin

Huippunopea säteilyilmaisin on tehty kultapalladiumin sijaan grafeenipalasta, joka on niin pieni, että se mahtuisi bakteerin sisään.

Uutiset
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Illustration image on a sunny day as the sun is setting, of Otakaari 2A, the lights in the building are lit and there are blurry images of people walking around. Grass and trees are green.
Kampus, Mediatiedotteet, Yliopisto Julkaistu:

Uudisrakennus Marsio on näyteikkuna Aalto-yliopiston tutkimukseen, opetukseen ja vaikuttavuuteen

Kilpailun kautta valittu nimi on kunnianosoitus Aino Marsio-Aallolle.
FinnFusion is a collaboration aiming to make fusion energy a reality. Photo: VTT.
Yhteistyö, Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aallon tutkijat tuovat heliumplasmakokeilla fuusioenergiaa lähemmäksi todellisuutta

Aalto-yliopiston tutkijat osallistuvat kansainväliseen projektiin, jonka tavoitteena on tukea fuusioenergian kehittämistä.
Vehnänjyviä
Mediatiedotteet Julkaistu:

Miljardille ihmiselle vapautuisi ruokaa, jos maatalouden sivuvirtoja kierrätettäisiin tuotantoeläinten rehuksi

Aalto-yliopiston tutkijat osoittivat, että ruokaa riittäisi jopa 13 prosenttia suuremmalle väestölle, jos tuotantoeläinten rehuna käytettäisiin enemmän maatalouden sivuvirtoja.
A satellite image of Borneo and part of Malaysia covered by plumes of smoke from fires. The many fires are marked on the map as red dots.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijat osoittivat tekoälyn avulla: Turvesuopalojen riski kutistuu jopa neljännekseen maankäytön muutoksilla

Pahimpina vuosina Kaakkois-Aasian turvesuopalot aiheuttavat 30 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä. Maankäyttö on tasapainottelua uhkien, hyötyjen ja kustannusten välillä, sanovat Aalto-yliopiston tutkijat.