Seuraavan sukupolven tietokoneiden rakentaminen kvanttialtistimilla ja infrapunalasereilla

Tietokoneiden historia on kietoutunut nykyaikaisen teknologian historiaan. Kaikki alkoi 1800‑luvulla, kun vuonna 1801 ranskalainen kauppias ja keksijä, Marie Jacquard, keksi kankaan kudontakoneen, jossa käytettiin rei’itettyjä puukortteja automaattiseen kankaan mallien kudontaan.

Kuitenkin merkittävin edistys automaattisessa laskennassa tuona vuosisatana tapahtui, kun englantilainen matemaatikko Charles Babbage suunnitteli höyrykäyttöisen laskukoneen, joka pystyi laskemaan numerotaulukoita. 1900‑luvun merkittävin keksintö tuli vuonna 1936 Alan Turingilta, brittiläiseltä tiedemieheltä ja matemaatikolta, joka esitteli universaalikoneen, myöhemmin nimeltään Turingin kone. Tutkijat väittävät, että nykyaikaisten tietokoneiden käsite perustuu olennaisesti Alan Turingin ideoihin.

Sen jälkeen on kulkenut edistysketju. Vuonna 1939 David Packard ja Bill Hewlett perustivat Hewlett Packard -yrityksen, ja vuonna 1953 Grace Hopper kehitti ensimmäisen tietokonekielen, COBOLin, jonka jälkeen John Backus ja hänen IBM:n ohjelmoijatiiminsä julkaisi paperin, jossa kuvattiin heidän äskettäin luomaansa FORTRAN‑ohjelmointikieltä.

Vuosien aikana tietotekniikkaa rikastuttavien keksintöjen virta on keskittynyt moniin eri osa‑alueisiin. Joskus kyse on ollut läpimurtavan kielen tai ohjelmiston kehittämisestä, toisinaan taas keskeisestä laitteistosta. Tällaiset keksinnöt jatkuvat, auttaen rakentamaan seuraavan sukupolven tietokoneita, jotka ovat todellakin ‘futuristisia’ sanan kirjaimellisessa merkityksessä.

Seuraavissa osioissa tarkastelemme kahta tällaista keksintöä, jotka liittyvät kvanttialtistimiin ja infrapunalasereihin. 

Kohti merkittävää läpimurtoa: skaalautuva kvanttitietokone

Saavutus tulee Lawrence Berkeley National Laboratoryn (Berkeley Lab) johtaman tutkijaryhmän takaa. Tutkijat väittävät, että he ovat onnistuneet yrityksessään käyttää femtosekuntikerrosta kvanttibittien (qubits) luomiseen ja ‘tuhomiseen’ dopingamalla piitä vedellä. Tutkijat korostivat, että he pystyvät toteuttamaan tämän harjoituksen tarpeen mukaan ja tarkasti. 

Mutta jotta voimme ymmärtää tutkimuksen merkityksen täysin, meidän on tiedettävä, mitä kvanttibittejä (qubits) ovat ja miksi ne ovat tärkeitä!

Tarve yhdistää miljardeja kvanttibittejä

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

Tutkimus on nyt osoittanut tavan vahvistaa kvanttitietokoneita käyttämällä ohjelmoitavia optisia kvanttibittejä tai ‘spin‑photon qubits’, jotka voivat yhdistää kvanttisolmuja etäverkossa. 

Selittäessään tutkimuksen merkitystä ja saavutuksia, Kaushalya Jhuria, Berkeley Labin Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) -osaston postdoc‑tutkija, totesi seuraavaa:

“Jotta voimme luoda skaalautuvan kvanttiasteettuurin tai verkon, tarvitsemme kvanttibittejä, jotka voivat muodostua luotettavasti tarpeen mukaan halutuissa paikoissa, jotta tiedämme, missä kvanttibitti sijaitsee materiaalissa. Ja siksi lähestymistapamme on kriittinen. Koska kun tiedämme, missä tietty kvanttibitti istuu, voimme määrittää, miten yhdistää tämä kvanttibitti järjestelmän muihin komponentteihin ja luoda kvanttiverkon.”

Mutta miten tutkimus saavuttaa tämän tavoitteen? Se tekee sen muodostamalla kvanttibittejä piissä ohjelmoitavan ohjauksen avulla. 

Siliconin ‘värikeskusten’ ja ‘spin‑photon qubits’ -tarina

DOE:n Office of Science -tuen avulla tutkimus käytti kaasuympäristöä luodakseen ohjelmoitavia vikoja, joita kutsutaan “color centers” piissä. Nämä värikeskukset ovat ehdokkaita “spin photon qubits” tai erityisiksi telekommunikaatiokvanttibitteiksi.

Kvantti‑ tai kvanttibitti on kvanttitiedon perusyksikkö. Tämä pienin komponentti kvanttitietojärjestelmässä koodaa dataa arvoihin 1, 0 tai kaikkeen niiden välillä, mikä tunnetaan superpositiona. Spin‑photon qubits puolestaan lähettävät fotoneja, joilla on kyky kantaa elektronin spinin koodaamaa tietoa pitkiä matkoja.

Now, to form these special qubits that can help support a secure quantum network precisely, the study utilized an ultrafast laser capable of emitting energy pulses in mere femtoseconds—each pulse as brief as a quadrillionth of a second, targeted to an area no larger than a dust particle.

Tutkittaessa optisia (photoluminescence) signaaleja syntyneiden värikeskusten avulla lähietäisyysinfrapunasensorilla niiden karakterisointia varten, tiimi löysi Ci‑keskuksen, joka on kvanttialtistin. Ci‑keskuksella on yksinkertainen rakenne ja lupaavat spin‑ominaisuudet, ja se on vakaa huoneenlämmössä, mikä tekee siitä varsin vaikuttavan spin‑photonikvanttibittikandidaatin, joka lähettää fotoneja telekom‑ tai taajuuskaistalla. Jhurian mukaan:

“Tiesimme kirjallisuudesta, että Ci voidaan muodostaa piissä, mutta emme odottaneet todella luovamme tätä uutta spin‑photonikvanttibittikandidaattia lähestymistavallamme.” 

Mielenkiintoista on, että femtosekuntilaserin intensiteetin lisääminen piin prosessoinnissa vedyn läsnä ollessa voi myös lisätä vedyn liikkuvuutta. Tämä puolestaan passivoi ei‑toivottuja värikeskuksia samalla kun piirakenne pysyy vahingoittumattomana.

Teoreettinen analyysi vahvisti myös kokeelliset havainnot, että Ci‑värikeskuksen kirkkaus voidaan merkittävästi parantaa vedyn läsnä ollessa. Kuten Jhuria selitti, laseripulsseilla ei vain poisteta vaan myös palautetaan vetyatomit, “mahdollistamalla ohjelmoitavan haluttujen optisten kvanttibittien muodostamisen tarkkoihin paikkoihin.” 

Luotettavien värikeskusten valmistaminen on vasta alkua; nyt tiimi haluaa saada erilaiset kvanttibittit kommunikoimaan keskenään ja nähdä, mitkä toimivat parhaiten. 

“Kyky muodostaa kvanttibittejä ohjelmoitaviin paikkoihin materiaalissa, kuten piissä, joka on saatavilla mittakaavassa, on jännittävä askel kohti käytännöllistä kvanttiverkottamista ja -laskentaa.”

– Cameron Geddes, ATAP‑divisioonan johtaja

Tekniikkaa tullaan seuraavaksi käyttämään optisten kvanttibittien sisällyttämiseen kvanttilaitteisiin, kuten aallonjohtimiin, sekä etsimään uusia spin‑photonikvanttibittikandidaatteja, joiden ominaisuudet on optimoitu valittuihin sovelluksiin.

Uudet lähestymistavat kvanttilaskennan saavuttamiseen: työskentely molekyylien kanssa

Kvanttilaskennan ala on saanut merkittävää huomiota vuosien varrella, ja tutkijat työskentelevät jatkuvasti uusien tekniikoiden löytämiseksi sen toteuttamiseksi. Orgaanisten molekyylien manipulointi on tutkimusalue, jonka potentiaalisia sovelluksia kvanttilaskennassa tutkitaan. 

TU Grazin tiimi tutki, miten kompetentteja molekyylejä voidaan stimuloida infrapunasädepulssien avulla pienten magneettikenttien luomiseksi. Jos tätä tekniikkaa kehitetään menestyksekkäästi kokeissa, sitä voidaan jopa käyttää kvanttitietokoneiden piireissä.

Tämä johtuu siitä, että infrapunasäteilyn valikoiva manipulointi mahdollistaa magneettikentän suunnan ja voimakkuuden hallinnan. Tämä muuntaa molekyylit tarkkojen optisten kytkimien muotoon, joita voidaan sitten käyttää kvanttitietokoneen piireihin, kertoo Andreas Hauser TU Grazin kokeellisen fysiikan laitokselta.

While interactions between molecular vibrations and spin magnetism are well-documented in microwave spectroscopy, this study proposes methods to actively excite molecular vibrations that generate a magnetic field at targeted locations.

Molekyylien stimuloiminen infrapunalasereilla magneettikenttien muodostamiseksi

Kun molekyylejä säteiltään infrapunasäteellä, ne alkavat värähdellä energian syötön vuoksi. Hyödyntäen tätä ilmiötä lähtökohtana, fyysikot alkoivat tutkia, voisiko näitä värähtelyjä käyttää magneettikenttien tuottamiseen.

Laskelmiaan varten Hauser ja hänen tiiminsä käyttivät esimerkkinä metalliftaalokyanineja. Tiimi havaitsi, että näiden rengasmaisien, aromaatisten, tasomaisten väriaineiden korkean symmetrian vuoksi ne tuottavat pieniä magneettikenttiä nanometrialueella (< 1 nm), kun ne altistuvat infrapulssille. Tämän perusteella matalan, mutta tarkasti paikallistetun kentän voimakkuuden mittaaminen ydinmagnettisen resonanssin spektroskopian avulla pitäisi olla toteutettavissa.

Hyödyntäen laser‑spektroskopian varhaisen vaiheen työtä, tiimi käytti myös nykyaikaista elektronirakennusteoriaa supertietokoneilla laskeakseen, miten makrosykliset ftaalokyaninimolekyylit käyttäytyvät valolle altistuessaan kiertopolarisoidun infrapunasäteilyn avulla.

Tiimi havaitsi, että kiertopolarisoidut valoaallot innostavat kahta molekyylivärähtelyä samanaikaisesti oikeassa kulmassa toisiinsa nähden. Vertaaen tätä rumba‑tekniikkaan, Hauser selitti:

“Oikea yhdistelmä eteen‑ ja taaksepäin sekä vasemmalle ja oikealle luo pienen suljetun silmukan. Tämä jokaisen vaikuttavan atomiytimen kiertoliike luo itse asiassa magneettikentän, mutta vain hyvin paikallisesti, muutaman nanometrin mittakaavassa.”

Tämä on kuitenkin vielä vain teoreettista. Tiimi aikoo nyt työskennellä todistaakseen, että molekyylimagneettikenttiä voidaan luoda hallitusti kokeellisesti, jotta niitä voidaan todella hyödyntää. 

Kokeessa heidän on kuitenkin löydettävä alusta, joka vuorovaikuttaa mahdollisimman vähän kohdistettujen prosessien kanssa, koska tulevat sovellukset edellyttävät ftaalokyaninimolekyylin sijoittamista pinnalle. Tämä kuitenkin muuttaa fysikaalisia olosuhteita, mikä vaikuttaa valon aiheuttamaan innostukseen ja magneettikentän ominaisuuksiin.

Joten ennen kuin sitä voidaan todella testata kokeissa, tiimin on ensin laskettava vuorovaikutus kerrostettujen ftaalokyaninien, infrapunasäteilyn ja tukimateriaalin välillä. Jos koe vahvistaa ennustetut muutokset magneettisissa suojavakioissa, tutkimus sanoo, että sitä voidaan pitää ensimmäisenä mittauksena värähtelyn avulla syntyneestä magneettikentästä, intramolekyylisellä resoluutiolla.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja Heron & Condor, viimeisimmistä edistysaskelista kvanttilaskennassa.

Yritykset, jotka edistävät kvanttilaskennan alaa

On useita yrityksiä, kuten Microsoft, Intel ja D‑Wave, jotka työskentelevät kvanttilaskennan edistämiseksi. IBM on merkittävä nimi, joka on keskittynyt kvanttilaskentaan jo vuosia. Äskettäin se solmi kumppanuuden Japanin National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) -laitoksen kanssa auttaakseen tätä tuottamaan 10 000 kvanttibittiä sisältävän kvanttitietokoneen ennen tämän vuosikymmenen loppua. Joten kaiken tämän kehityksen keskellä tarkastellaan tarkemmin joitakin muita tärkeitä nimiä alalla:

#1. Google 

Teknojättilä on panostanut paljon kvanttitietokoneiden rakentamiseen monien vuosien ajan. Vuonna 2019 Google osoitti ensimmäistä kertaa, että kvanttitietokoneet voivat suorittaa algoritmin, jonka perinteinen supertietokone ei pysty käsittelemään.

Viime vuonna Googlen Sycamore‑kvanttiprosessori esiteltiin 70 kvanttibittillä, mikä on hyppy edelliseen 53 kvanttibittiä omaavaan versioon verrattuna. Tämä tekee siitä noin 241 miljoonaa kertaa nopeamman ja kestävämmän kuin edellinen malli. Samaan aikaan Googlen uusi kvanttitietokone simuloi magneettien käyttäytymistä yksityiskohtaisesti ja voi auttaa meitä saamaan syvemmän ymmärryksen magnetismista.

Kvanttilaskennan osalta Google käyttää täyspinoista lähestymistapaa, joka kattaa laitteiston ja ohjelmiston komponenttien saumattoman integroinnin. Yritys toteuttaa tällä hetkellä kolmen vuoden, 5 miljoonan dollarin globaalin kilpailun nimeltä XPRIZE Quantum Applications edistääkseen kvantti‑algoritmien alaa.

Markkina‑arvolla 2,2 biljoonaa dollaria Googlen osakkeet käyvät kauppaa hintaan 177,08 dollaria, +26,88 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 6,52, P/E (TTM) 27,18 ja osinkotuotto 0,45 %. Vuoden 2024 ensimmäiselle neljännekselle yhtiö raportoi liikevaihdoksi 80,5 miljardia dollaria, +15 % edellisvuoteen verrattuna, ja sen liiketulosprosentti kasvoi 32 %:iin.

#2. Dell 

Tämä teknologiayritys on myös aloittanut konkreettisia toimenpiteitä kvanttilaskennassa. Äskettäin Dell esitteli hybridialustan, joka yhdistää klassisen ja kvanttiympäristön, kehitettynä IonQ:n kanssa. Se ilmoitti myös yhteistyöstä Aramcon kanssa tutkiakseen edistysaskelia kvanttilaskennassa, tekoälyssä ja reunalaskennassa. Yhdessä Aramco ja Dell pyrkivät ratkaisemaan monimutkaisia haasteita energiaoptimoinnin, säämallinnuksen, materiaalitieteen ja ennakoivan kunnossapidon aloilla kvanttilaskennan avulla.

Dell Technologies Irelandin MD Catherine Doyle:n mukaan kvanttilaskenta auttaa myös tekoälyn kehityksessä, kun se “tulee tiiviisti kietoutumaan tulevaisuudessa”.

Markkina‑arvolla 100,74 miljardia dollaria Dellin osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 144,50 dollaria, +85,66 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 4,36, P/E (TTM) 32,55 ja osinkotuotto 1,25 %. Vuoden 2024 ensimmäiselle neljännekselle yhtiö raportoi 22,2 miljardia dollarin liikevaihdon ja 60 miljoonaa dollarin nettotuloksen.

Yhteenveto

Kvanttilaskenta on ollut kasvava kiinnostuksen kohde tutkijoille, organisaatioille ja hallituksille. Nopean nopeuden, parannetun turvallisuuden, suuremman tehokkuuden, tarkan simuloinnin ja parannetun analyysin tarjoamien mahdollisuuksien vuoksi on ymmärrettävää, että kiinnostus on kasvanut sekä tutkimus‑ että investointitoimien myötä, mikä saattaa lopulta nähdä kvanttilaskennan toteutuvan todellisuudessa ja löytävän sovelluksensa eri sektoreilla.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja kvanttilaskennan nykytilasta.