Seuraavan sukupolven tietokoneet: kvanttiemitterit ja infrapunalaserit

Tietokoneiden historia liittyy läheisesti automaation kehitykseen. Vuonna 1801 ranskalainen Joseph Marie Jacquard esitteli kutomakoneen ohjausmekanismin, jossa reikäkorteilla määritettiin kudottava kuvio. Reikäkortit vaikuttivat myöhemmin myös laskentakoneiden kehitykseen.

1800-luvulla englantilainen matemaatikko Charles Babbage suunnitteli mekaanisen differenssikoneen lukutaulukoiden laskemiseen sekä myöhemmin yleiskäyttöiseksi tarkoitetun analyyttisen koneen. Vuonna 1936 Alan Turing esitteli laskennan teoreettisen mallin, jota kutsutaan Turingin koneeksi. Se on keskeinen osa tietojenkäsittelytieteen perustaa.

David Packard ja Bill Hewlett perustivat Hewlett-Packardin vuonna 1939. Grace Hopper kehitti varhaisia kääntäjiä ja vaikutti vuonna 1959 määritellyn COBOL-kielen syntyyn. John Backusin johtama IBM:n ryhmä puolestaan kehitti FORTRANin, jonka ensimmäinen versio julkaistiin vuonna 1957.

Tietotekniikan kehitys on perustunut sekä ohjelmistojen ja ohjelmointikielten että laitteistojen edistysaskeliin. Myös tulevien tietokoneiden rakentaminen edellyttää monenlaisia teknisiä ratkaisuja.

Seuraavaksi tarkastelemme kahta vuonna 2024 esiteltyä tutkimusta, jotka liittyvät piin kvanttiemittereihin ja infrapunalasereilla ohjattuihin molekyyleihin. 

Kohti skaalautuvaa kvanttilaskentaa: ohjelmoitavat kvanttiemitterit

Lawrence Berkeley National Laboratoryn johtama ryhmä kehitti menetelmän, jolla piin valoa lähettäviä hilavikoja voidaan muodostaa ja passivoida paikallisesti femtosekuntilaserin ja vedyn avulla. Hilaviat ovat lupaavia kubittien rakennusosia; tutkimus ei vielä osoittanut toimivaa laajaa kvanttitietokonetta. 

Tutkimuksen merkityksen ymmärtämiseksi on ensin tarkasteltava kubitteja eli kvanttibittejä.

Kubittien yhdistäminen on skaalauksen keskeinen haaste

Kvanttitietokoneiden odotetaan nopeuttavan tiettyjä laskentatehtäviä esimerkiksi kemiassa, lääketutkimuksessa ja tekoälyn tutkimuksessa. Nopeusetu riippuu algoritmista ja laitteistosta; se ei koske kaikkia tehtäviä. Suurissa järjestelmissä tarvitaan luotettavasti valmistettuja ja toisiinsa kytkettyjä kubitteja eli kvanttibittejä. Tarvittava määrä riippuu myös virheenkorjauksesta ja siitä, lasketaanko fyysisiä vai loogisia kubitteja.

Berkeley Labin menetelmä voi tukea optisten kubittien valmistusta. Spin-fotoni-kubiteissa aineeseen tallennettu kvanttitieto voidaan kytkeä valoon, mikä on hyödyllistä kvanttiverkon solmujen yhdistämisessä. 

Berkeley Labin ATAP-osaston tutkijatohtori Kaushalya Jhuria korosti, että skaalattavassa kvanttiarkkitehtuurissa kubittien sijaintien pitää olla hallittuja:

”Meidän on voitava muodostaa kubitteja luotettavasti tarpeen mukaan haluttuihin paikkoihin, jotta tiedämme, missä kubitti sijaitsee materiaalissa.”

Tunnettu sijainti auttaa suunnittelemaan kubitin kytkemistä muihin komponentteihin. Menetelmä pyrkii juuri tähän hallittuun valmistukseen piissä. 

Piin värikeskukset ja spin-fotoni-kubitit

Tutkimuksessa käytettiin kaasukäsittelyä ja paikallista laserhehkutusta piin värikeskusten muodostamiseen. Värikeskukset ovat kidehilan atomitason poikkeamia, jotka voivat toimia kvanttiemittereinä. Työtä rahoitti Yhdysvaltain energiaministeriön Office of Science.

Kubitti on kvanttitiedon perusyksikkö. Sen tila voi olla kantatilojen 0 ja 1 superpositio, jota kuvaavat kompleksiset amplitudit; kyse ei ole tavallisesta lukuarvosta nollan ja ykkösen välillä. Spin-fotoni-järjestelmässä spiniin tallennettua tietoa voidaan kytkeä fotoneihin.

Femtosekuntilaser tuottaa erittäin lyhyitä pulsseja: yksi femtosekunti on 10⁻¹⁵ sekuntia. Paikallisesti kohdistetut pulssit auttavat käsittelemään piitä tarkasti. Mahdollinen käyttö kvanttiverkoissa vaatii vielä muita toimivia komponentteja.

Lähi-infrapunailmaisimella mitatut fotoluminesenssisignaalit paljastivat Cᵢ-keskuksia. Niiden yksinkertainen rakenne, huoneenlämpötilastabiilius ja lupaavat spinominaisuudet tekevät niistä kiinnostavia spin-fotoni-kubittien ehdokkaita. Ne lähettävät valoa tietoliikenteessä käytetyllä aallonpituusalueella. Jhuria kuvasi havaintoa näin:

”Tiesimme kirjallisuudesta, että Cᵢ-keskuksia voidaan muodostaa piihin, mutta emme odottaneet saavamme aikaan tätä uutta spin-fotoni-kubittiehdokasta menetelmällämme.” 

Matalampi laserintensiteetti vedyn läsnä ollessa auttoi muodostamaan Cᵢ-keskuksia. Intensiteetin kasvattaminen puolestaan lisäsi vedyn liikkuvuutta ja auttoi passivoimaan ei-toivottuja värikeskuksia vahingoittamatta piin kidehilaa.

Teoreettinen analyysi tuki havaintoa, että vety voi lisätä Cᵢ-keskuksen kirkkautta huomattavasti. Laserin avulla voidaan ohjata vedyn vaikutusta keskusten aktivoitumiseen ja passivoitumiseen, mikä tukee paikallisesti ohjelmoitavaa valmistusta. 

Seuraava tavoite oli tutkia erilaisten kubittien välistä kytkentää ja selvittää, mitkä ehdokkaat toimivat parhaiten. 

”Mahdollisuus muodostaa kubitteja ohjelmoituihin paikkoihin piin kaltaisessa, suuressa mittakaavassa saatavilla olevassa materiaalissa on kiinnostava askel kohti käytännön kvanttiverkkoja ja kvanttilaskentaa.”

— Cameron Geddes, ATAP-osaston johtaja

Tutkijat suunnittelivat menetelmän käyttöä optisten kubittien yhdistämiseen esimerkiksi aaltojohteisiin ja heijastaviin onteloihin sekä uusiin, eri sovelluksiin sopiviin kubittiehdokkaisiin.

Toinen tutkimussuunta: molekyylien ohjaaminen infrapunavalolla

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 ryhmä laski, miten sopivia molekyylejä voidaan virittää infrapunapulsseilla synnyttämään pieniä magneettikenttiä. Jos ennusteet vahvistetaan kokeellisesti, ilmiöllä voisi olla käyttöä myös kvanttipiireissä.

Laskelmissa infrapunavalon hallinnalla voidaan vaikuttaa kentän suuntaan ja voimakkuuteen. Andreas Hauserin mukaan tämä tarjoaa mahdollisen tavan ohjata molekyylitason magneettisia ominaisuuksia optisesti.

Molekyylivärähtelyjen ja magnetismin yhteyksiä tunnetaan spektroskopiasta. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin värähtelyjen aktiivista virittämistä paikallisten magneettikenttien muodostamiseksi.

Infrapunalaserilla viritetyt molekyylivärähtelyt

Infrapunasäteily voi virittää molekyylin värähtelyjä. Koska atomiytimillä on sähkövaraus, niiden koordinoitu liike voi synnyttää magneettikentän.

Hauserin ryhmä käytti laskelmissa metalliftalosyaniineja eli rengasmaisia, tasomaisia väriainemolekyylejä. Niiden symmetria mahdollistaa paikallisten magneettikenttien muodostumisen nanometrien mittakaavassa. Laskelmien mukaan vaikutusta voitaisiin tutkia ydinmagneettisen resonanssin spektroskopialla.

Tutkijat yhdistivät aiempaa laserspektroskopian tutkimusta moderniin elektronirakenneteoriaan ja supertietokoneilla tehtyihin laskelmiin. Tarkastelun kohteena olivat ftalosyaniinimolekyylit ympyräpolarisoidussa infrapunavalossa.

Ympyräpolarisoitu valo voi virittää kaksi toisiaan vastaan kohtisuoraa värähtelyä sopivalla vaihe-erolla. Niiden yhdistelmä tuottaa kiertoliikkeen:

”Sopiva yhdistelmä eteen–taakse- ja vasen–oikea-liikettä muodostaa pienen suljetun silmukan. Atomiydinten kiertoliike synnyttää magneettikentän hyvin paikallisesti, muutamien nanometrien mittakaavassa.”

Kyse oli teoreettisesta tutkimuksesta. Tutkijat suunnittelivat kokeita hallitusti tuotettavien molekyylitason magneettikenttien osoittamiseksi. 

Kokeissa molekyyli on asetettava alustalle. Alusta voi muuttaa valon aiheuttamaa viritystä ja magneettikentän ominaisuuksia, joten sen vuorovaikutus molekyylin kanssa on otettava huomioon.

Ennen kokeita ryhmä aikoi laskea ftalosyaniinimolekyylien, alustan ja infrapunavalon yhteisvaikutuksia. Ennustettujen magneettisten suojavakioiden muutosten mittaus voisi auttaa osoittamaan värähtelyn tuottaman kentän molekyylin sisäisellä erotuskyvyllä.

Lue lisää prosessoreista Heron ja Condor sekä muista kvanttilaskennan edistysaskelista.

Yritykset, jotka edistävät kvanttilaskennan alaa

Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ), D-Wave ja IBM kehittävät erilaisia kvanttilaskennan tekniikoita. Vuonna 2024 uutisoitiin myös IBM:n ja Japanin AIST:n suunnitelmasta kehittää 10 000 kubitin järjestelmä vuoteen 2029 mennessä. Kyse oli kehitystavoitteesta. Seuraavaksi tarkastelemme Googlea ja Delliä.

#1. Google 

Google on kehittänyt kvanttiprosessoreita useiden vuosien ajan. Vuoden 2019 Sycamore-kokeessa yhtiö osoitti laskennallista etua tietyssä satunnaispiirien näytteistystehtävässä silloisiin klassisiin vertailumenetelmiin nähden. Tämä ei tarkoittanut, etteikö klassinen tietokone voisi suorittaa algoritmia lainkaan.

Vuonna 2023 Google raportoi kokeita jopa 70 kubitilla aiemman 53 kubitin kokeen sijaan. Kubittien määrän kasvua ei voi suoraan muuntaa väitteeksi 241 miljoonaa kertaa suuremmasta yleisestä nopeudesta tai luotettavuudesta. Google tutkii myös kvanttijärjestelmien ja magnetismin simulointia.

Google kehittää kvanttilaskennan laitteistoja ja ohjelmistoja yhdessä. Vuonna 2024 se käynnisti XPRIZEn kanssa kolmivuotisen, viiden miljoonan dollarin XPRIZE Quantum Applications -kilpailun kvanttialgoritmien käytännön sovellusten edistämiseksi.

Artikkelin vuoden 2024 markkinakatsauksessa Alphabetin markkina-arvoksi ilmoitettiin noin 2,2 biljoonaa dollaria ja osakekurssiksi 177,08 dollaria, noin 26,88 % vuoden alkua korkeammaksi. Samassa katsauksessa EPS (TTM) oli 6,52, P/E (TTM) 27,18 ja osinkotuotto 0,45 %. Nämä ovat ajankohdan tunnuslukuja. Vuoden 2024 ensimmäisellä neljänneksellä Alphabet raportoi 80,5 miljardin dollarin liikevaihdon, noin 15 % enemmän kuin vuotta aiemmin, ja 32 %:n liikevoittomarginaalin.

#2. Dell 

Dell on kehittänyt IonQ:n kanssa ratkaisua, joka yhdistää klassista ja kvanttilaskentaa. Vuonna 2024 se myös solmi Aramcon kanssa aiesopimuksen yhteistyömahdollisuuksien tutkimisesta muun muassa tekoälyssä, reunalaskennassa ja kvanttilaskennassa. Mahdollisia tutkimuskohteita ovat energiaoptimointi, säämallinnus, materiaalitiede ja ennakoiva kunnossapito.

Dell Technologies (DELL ) Irelandin toimitusjohtaja Catherine Doyle on korostanut tekoälyn ja kvanttilaskennan mahdollista yhteyttä tulevaisuudessa.

Artikkelin vuoden 2024 markkinakatsauksessa Dellin markkina-arvoksi ilmoitettiin 100,74 miljardia dollaria ja osakekurssiksi 144,50 dollaria, noin 85,66 % vuoden alkua korkeammaksi. EPS (TTM) oli 4,36, P/E (TTM) 32,55 ja osinkotuotto 1,25 %. Luvut kuvaavat tuota ajankohtaa. Dell raportoi 3.5.2024 päättyneeltä tilikauden 2025 ensimmäiseltä neljännekseltä noin 22,2 miljardin dollarin liikevaihdon ja 955 miljoonan dollarin GAAP-nettotuloksen. Dell Technologies Inc.:lle kuuluva osuus nettotuloksesta oli 960 miljoonaa dollaria.

Yhteenveto

Kvanttilaskenta kiinnostaa tutkijoita, yrityksiä ja julkishallintoa erityisesti tiettyjen laskentatehtävien, simuloinnin ja tiedon käsittelyn mahdollisuuksien vuoksi. Edellä kuvatut tutkimukset käsittelevät mahdollisia rakennusosia ja ohjausmenetelmiä. Niistä käytännöllisiin, laajoihin sovelluksiin siirtyminen vaatii vielä jatkotutkimusta.

Lue lisää kvanttilaskennan nykytilasta.