Suomalaiset tutkijat tarkastelevat kvanttitietokoneen kohinaa

Tavanomaisessa tietokoneessa kaikki tieto jaotellaan joukoksi bittejä, joilla on arvot 0 ja 1. Nämä kaksi arvoa vastaavat arvoja "päällä" tai "pois" tietokoneen suorittimessa ja muistissa olevien miljoonien pienten sähköisten kytkinten välillä.

Kvanttikoneen toiminta eroaa perinteisen tietokoneen toiminnasta merkittävästi. Tavanomaisten tietokoneiden bitin korvaa kvanttilaskennassa kvanttibitti eli kubitti, joka voi kvanttimekaniikan periaatteiden mukaan olla 0 ja 1 samaan aikaan ja monin eri tavoin. Tätä kutsutaan superpositioksi.

Kvanttitietokone voidaan rakentaa käyttämällä suurta määrää kubitteja, jotka on ohjelmoitava täysin uusien algoritmien ja ohjelmointikielten avulla. Kvanttitietokone voi periaatteessa ratkaista ongelmia, joita on käytännössä mahdotonta ratkaista tavanomaisella tietokoneella.  Esimerkiksi kvanttitietokoneen atomi- ja elektronitason laskujen perusteella voisimme suunnitella uusia molekyylejä tai materiaaleja, joilla on juuri haluttuja ominaisuuksia.

Aluksi kvanttitietokoneet olivat lähinnä yliopistojen laboratorioissa tutkittu teoreettinen käsite, mutta nyt kvanttitietokoneet nousevat nopeasti markkinoille. Käytettävissä olevat koneet ovat edelleen suurelta osin kokeellisia. Yritykset ja tutkimuslaitokset käyttävät niitä tutkiakseen lupaavia sovelluksia ja valmistautuvat odotettavissa olevaan kvanttiherruuteen eli siihen, että kvanttitietokoneista tulee tavanomaisia tietokoneita tehokkaampia, ainakin joidenkin ongelmien ratkaisemisessa.

Ympäristön kohina on kvanttilaskennan suurin haaste

Kvanttilaskennan suurin haaste on, että kubitit ovat erittäin herkkiä kohinalle, joka voi nopeasti tuhota niiden superpositiotilan. Vaikka laitteet jäähdytettäisiin vain asteen murto-osan päähän absoluuttisesta nollapisteestä lämpöympäristöstä johtuvan kohinan minimoimiseksi, superpositiotilan elinaika on silti hyvin lyhyt, usein alle mikrosekunnin.

Tutkimuksessa käytettiin kanadalaisen D-Wave Systemsin 2000-kubittista kvanttitietokonetta.  Tämän kvanttitietokoneen kaltaisten järjestelmien tietyt optimointiongelmat voidaan ratkaista kvanttijäähdytyksen (quantum annealing) avulla. Tässä kubittien kvanttiominaisuus muuttuu vähitellen siten, että kvantit lopulta "jäätyvät" laitteeseen ohjelmoidun ongelman ratkaisuksi. Tämä prosessi on kuitenkin herkkä kohinalle, eikä kohinan vaikutustapaa ymmärretä hyvin.

Nyt tutkimusryhmät CSC:ltä, Aalto-yliopistosta ja Åbo Akademista sekä Bostonin yliopistosta ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, kuinka kohina vaikuttaa systemaattisesti laskentaan. Vaihtelemalla aikaa, jonka kuluessa kubittien kvanttiominaisuuksia muutetaan (mikrosekunnista millisekunniksi) ja tutkimalla kytkettyjen kubittien lukumääriä D-Wave-laitteessa, tutkijat pystyivät vahvistamaan yleisen periaatteen virheiden syntymisestä laskentaan.

Tämän periaatteen mukaan pidemmän laskenta-ajan pitäisi antaa parempi tulos, mutta tutkijat havaitsivat, että kohina vaikuttaa negatiivisesti tuloksiin sitä enemmän, mitä pitempi laskenta-aika on. He selittivät tämän käytöksen kehittämänsä matemaattisen mallin avulla, ja tästä mallista tulee hyödyllinen työkalu tulevien kvanttijäähdytyslaitteiden määrittelyyn ja parhaiden käyttötapojen löytämiseen.

Anders Sandvikin (Boston University) mukaan kvanttijäähdytyslaitteista voi pian tulla tärkeitä työkaluja aineen kvanttikäyttäytymisen simulointiin, kun kohinan määrää vähennetään edelleen.

"Tutkimusryhmien tulokset ovat ensimmäinen suuri suomalainen saavutus kvanttilaskennan kvanttijäähdytysmallin tutkimuksessa. Kvanttilaskenta kehittyy nopeasti, ja CSC suunnittelee lisähankkeita edistääkseen vahvaa suomalaista osaamista tällä tieteen ja tekniikan kriittisellä eturintamalla", kertoo Jan Åström CSC:ltä.

Lisätietoja:

Phillip Weinberg, Marek Tylutki, Jami M. Rönkkö, Jan Westerholm, Jan A. Åström, Pekka Manninen, Päivi Törmä, and Anders W. Sandvik: Scaling and Diabatic Effects in Quantum Annealing with a D-Wave Device. Phys. Rev. Lett. 124, 090502 – Published 5 March 2020. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.090502

Päivi Törmä, Professori, Aalto-yliopisto
[email protected]
puh. 050 382 6770

Jan Åström, Senior Applications Specialist, CSC,
sähköposti [email protected]
puh. 050 381 9473

Pekka Manninen, Program Director, CSC
sähköposti [email protected]
puh. 050 381 2831

Alkuperäinen uutinen