Uusi ihmekubitti voi mullistaa kaupallisten kvanttitietokoneiden kehityksen

Aalto-yliopiston, IQM:n ja VTT:n tutkijat ovat kehittäneet uuden Unimon-kubitin, joka voi lisätä kvanttilaskennan tarkkuutta. Ryhmä on toteuttanut ensimmäiset loogiset kvanttiportit eli Unimon-kubiteille tehtävät operaatiot jopa 99,9 prosentin tarkkuudella, mikä on tärkeä virstanpylväs kaupallisesti hyödyllisten kvanttitietokoneiden rakentamisessa. Tutkimustulos julkaistiin juuri Nature Communications -lehdessä.

Tällä hetkellä käytössä olevat kubittityypit ja tekniikat eivät ole vielä ole suorituskyvyltään riittäviä kvanttitietokoneiden käytännön sovelluksiin. Nyt on menossa kohisevien kvanttitietokoneiden aikakausi, mikä tarkoittaa, että laskuissa tapahtuu vielä paljon virheitä. Kvanttilaskujen pituutta rajoittavat enimmäkseen virheet yhden ja kahden kubitin kvanttiporteissa. Kvanttilaskutoimituksista on tehtävä nykyistä tarkempia, jotta ne ovat hyödyllisiä.

”Tavoite on pystyä tekemään operaatioita kvanttilaskutoimitusten virheistä huolimatta. Kvanttivirheiden korjaus tapahtuu vasta sitten kauempana tulevaisuudessa. Unimon-kubitti on virstanpylväs kvanttitietokoneiden rakentamisessa”, sanoo tutkimusta johtanut Aalto-yliopiston ja VTT:n professori Mikko Möttönen, joka on tutkijana myös IQM-yrityksessä.

Kokeellista tutkimusta varten tutkijat suunnittelivat ja valmistivat siruja, joista jokainen koostui kolmesta Unimon-kubitista. He käyttivät suprajohtavana materiaalina niobiumia lukuun ottamatta Josephsonin liitosta, joissa suprajohtavat johtimet valmistettiin alumiinista. Suprajohtavuus tarkoittaa, että sähkövirta kulkee materiaalissa täysin ilman vastusta.

Unimonissa yhdistyvät tutkijoiden mukaan useat suprajohtavan kubitin hyödylliset ominaisuudet. Ensinnäkin Unimonin rakenne on yksinkertainen, se koostuu vain yhdestä Josephsonin liitoksesta sähköisessä värähtelijässä.

Tutkijat mittasivat Unimon-kubitilla suhteellisen korkean epälineaarisuuden. Se tarkoittaa, että värähtelyn nopeus riippuu Unimonissa amplitudista eli värähdysliikkeen laajuudesta. Unimonin puhtaasti geometrisella induktanssilla eli kyvyllä vastustaa läpi kulkevan sähkövirran muutosta on mahdollista saavuttaa parempi ennustettavuus ja toistettavuus kuin aiemmin käytössä olleilla Josephson-liitosten ketjuihin perustuvilla superinduktansseilla.

"Koska Unimonilla on suurempi epälineaarisuus kuin nyt yleisesti käytössä olevissa transmoneissa, voimme tehdä sillä nopeampia operaatioita. Se johtaa harvemmin virheeseen operaatiota kohden", kertoo Eric Hyyppä, joka tekee väitöskirjatutkimusta IQM:ssä.

Kun tutkijat käyttivät kokeissa 13 nanosekunnin mittaista pulssia, he saavuttivat 99,8 tai 99,9 prosentin onnistumistodennäköisyyden kvanttiportille.

”Parhaimmillaan siis vain yksi kvanttiportti tuhannesta meni väärin”, Möttönen sanoo.

Unimon on myös täydellisesti epäherkkä hitaalle jännitekohinalle eli kubitti on kytkentöjensä vuoksi suojattu tasajännitteen muutokselta. Unimon ei ole myöskään häiriinny paikassa muuttumattoman magneettikentän vaihteluiden johdosta.

”Unimonit ovat yksinkertaisia, ​​ja silti niillä on monia etuja transmoneihin verrattuna. Ensimmäinen koskaan tehty Unimon toimii erinomaisesti, ja se mahdollistaa jatkossa kubitin optimointia ja suuria läpimurtoja. Seuraavaksi meidän pitää optimoida kubitin geometriaa, jotta saadaan vieläkin korkeampi suojaus kohinaa vastaan, ja myös toteuttaa kahden kubitin operaatioita”, sanoo Möttönen.

Eric Hyyppä teki diplomityötä Aallon tutkintoonsa kaksi vuotta sitten, jolloin Unimonin teoreettinen malli saatiin toimimaan. Hankkeelle saatiin Vaikuttavuussäätiön rahoitus, ja Aallon tutkijatohtori Suman Kundu työskentelee sen turvin sekä Aallossa että IQM-yrityksessä. Hyyppä taas tekee väitöskirjaa IQM:ssä. Mukana tutkimuksessa on lukuisia Aallon ja IQM:n työntekijöitä.

Lisätietoja:

Alkuperäinen englanninkielinen tiedote IQM:n sivuilla