Onko kvanttitietokoneiden ketjuttaminen mahdollista? Tutkijoilla on vastaus

Kvanttilaskennan skaalaaminen

Kvanttitietokoneista odotetaan tulevan keskeinen teknologia bioteknologian, materiaalitieteen, rahoituksen, kryptografian ja muiden monimutkaisten järjestelmien vaativaan laskentaan, johon piipohjaiset tietokoneet soveltuvat huonosti.

Kaksi ongelmaa on kuitenkin hidastanut kvanttitietokoneiden yleistymistä.

Ensinnäkin virheiden määrä kasvaa järjestelmän kubittien eli kvanttibittien lisääntyessä, sillä epävakaus voi aiheuttaa dominoefektin.

Ongelma saattaa pian jäädä historiaan Googlen (GOOGL ) Willow-sirun ansiosta: sen virhetaso pienenee kubittien määrän kasvaessa.

Toinen ongelma on yksittäisen kvanttitietokoneen todennäköinen kokoraja. Myös piisirun suorituskykyä voidaan kasvattaa vain tiettyyn pisteeseen ennen kuin virransyöttö, ylikuumeneminen ja muut ongelmat tulevat vastaan.

Oxfordin yliopiston tutkijoiden työ saattaa ratkaista myös tämän. He onnistuivat luomaan hajautetun kvanttitietokoneverkon, joka muistuttaa piisiruihin perustuvia palvelimia ja voi tasoittaa tietä kvanttisupertietokoneille.

He julkaisivat tuloksensa arvostetussa lehdessä Nature otsikolla “Distributed quantum computing across an optical network link”¹.

Kvanttitietokoneiden yhdistäminen

Nykyiset kvanttitietokoneet toimivat erillisinä yksikköinä, joissa kehittyneimmillään on muutamia satoja tai ehkä tuhat kubittia.

Niiden kasvattaminen on äärimmäisen vaikeaa, koska suurempi järjestelmä on herkempi ympäristön epävakaudelle ja häiriöille, jotka voivat rikkoa tietokoneen hyödyntämät kvantti-ilmiöt.

At the same time, useful computation will likely require millions of qubits, putting the industry into a potential dead end. At least, as long as quantum computers cannot be connected to each other.

Tämä on helpommin sanottu kuin tehty, sillä kvanttitietokoneet eroavat ratkaisevasti piisiruihin perustuvista koneista. Perinteisessä tietokoneessa 0 ja 1 ovat sähköisiä signaaleja, jotka voidaan siirtää suhteellisen helposti toiseen koneeseen.

Kvanttitietokoneissa on välitettävä kubittien varsinainen kvanttitila. Näitä tiloja on vaikea pitää vakaina erityisolosuhteiden ulkopuolella; tavallisesti tarvitaan erittäin matala lämpötila vain muutaman asteen absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Kvanttiteleportoinnin hyödyntäminen

Aikaisempi kvanttiteleportointi‑kokeilu

Tammikuussa 2025 raportoimme ensimmäisistä viitteistä, että kvanttiteleportaatio optisessa kuidussa on mahdollista. Se näytti jopa voivan kulkea tavallisessa valokuituverkossa rinnakkain normaalien datavirtojen kanssa.

Vaikka kvanttiteleportaatio kuulostaa tieteiselokuvan mielikuvitukselliselta käsitteeltä, se on todellinen ilmiö, jota on tutkittu vuosikymmeniä.

Siinä kaksi hiukkasta ”pariutuu” eli kietoutuu toisiinsa kvanttilomittumiseksi kutsutulla tavalla.

Kun hiukkaset on yhdistetty, ne vaihtavat tietoa etäisyydestä riippumatta ilman että tieto kulkee fyysisesti niiden välillä. Joissakin tapauksissa tiedonvaihto saattaa jopa tapahtua valoa nopeammin, mikä on teoriassa mahdotonta.

Tämä oli tärkeä ensimmäinen askel, sillä se osoitti tavallisten kaapeleiden voivan välittää kvanttiteleportaatiota kvanttitietokoneiden välillä ilman kokonaan uutta teknologiaa.

But it was not yet a direct connection between 2 quantum computers.

Kubittien yhdistäminen

Oxfordin tutkijat saavuttivat seuraavan vaiheen. He yhdistivät kubitteja valokuiduilla ja lomittivat ne fotonien eli valohiukkasten avulla.

Lähde: Nature

Laboratoriokokeessa moduulit olivat noin kahden metrin päässä toisistaan, ja kummassakin oli omat verkko- ja piirikubittinsa. Myös pidemmät etäisyydet ovat mahdollisia.

“Säätämällä näitä vuorovaikutuksia huolellisesti voimme suorittaa loogisia kvanttiportteja — kvanttilaskennan perustoimintoja — erillisissä kvanttitietokoneissa sijaitsevien kubittien välillä.

Tämän läpimurron avulla voimme käytännössä kytkeä erilliset kvanttiprosessorit yhdeksi täysin yhdistetyksi kvanttitietokoneeksi.”

Dougal Main – Väitöskirjaopiskelija ionikapseleiden kvanttilaskentaryhmässä Oxfordin yliopistossa

Lähde: Nature

Kokeessa käytettiin loukkuioneihin perustuvia moduuleja. Tällaisissa kvanttitietokoneissa on yleensä paljon vähemmän kubitteja, mutta niiden luotettavuus ja tehokkuus ovat selvästi parempia: vastaava kubittimäärä voi tuottaa 100–1 000 kertaa luotettavampia tuloksia kuin muut menetelmät.

Lähde: Quantinuum

Korkea tehokkuus

Verkkoon yhdistettyjen kubittien lomittumisen uskollisuus oli 86%.

Groverin hakualgoritmissa, joka on hyödyllinen vertailutesti ja jossa kvanttitietokoneet päihittävät tavalliset koneet selvästi, onnistumisprosentti oli 71%.

Groverin hakualgoritmi etsii tiettyä kohdetta suuresta jäsentämättömästä tietoaineistosta paljon tavallista tietokonetta nopeammin hyödyntämällä superpositiota ja lomittumista monien vaihtoehtojen tutkimiseen rinnakkain.

Tulos on huomattavan korkea, etenkin kun kyse oli ensimmäisestä saavutuksesta ennen menetelmän optimointia tai kehittämistä.

Tämän löydön vaikutus

Kvanttisupertietokoneita?

Tämä avaa täysin uuden tavan rakentaa kvanttitietokoneita. Se jäljittelee supertietokoneita, jotka koostuvat laskentatuloksia keskenään välittävistä erillisistä osajärjestelmistä.

Such a system would also be remarkably modular, instead of needing an increasingly complex massive centralized quantum computer.

Kun moduulit yhdistetään fotonisilla yhteyksillä, järjestelmästä tulee joustava: moduuleja voidaan päivittää tai vaihtaa häiritsemättä koko arkkitehtuuria.

Dougal Main – Väitöskirjaopiskelija ionikapseleiden kvanttilaskentaryhmässä Oxfordin yliopistossa

Lähde: Nature

Ionikapseleiden teknologian uusi nousu

Tähän asti loukkuioniteknologia on ollut luotettavin ja lähimpänä käytännön sovelluksia, mutta kubittien lisääminen samaan järjestelmään on vaikeaa. Siksi suprajohtavia kubitteja hyödyntävien järjestelmien on odotettu olevan kvanttitietokoneiden lopullinen muoto.

Jos loukkuioniteknologia pystyy ylittämään rajan parempien verkkoyhteyksien avulla, näin ei ehkä enää ole. Silloin tähän alaan erikoistuneet yritykset muuttuisivat sijoittajille entistä kiinnostavammiksi.

Ionikapseleiden kvanttilaskentayritys

IonQ

IonQ on Marylandin ja Duken yliopistojen alan pioneerien perustama loukkuioniteknologiaa käyttävä kvanttilaskentayhtiö. Se listautui New Yorkin pörssiin vuonna 2021.

IonQ:n kvanttilaskenta-alustat yltävät 99,9%:n uskollisuuteen. Yhtiö käyttää tällä hetkellä 64 bariumionin ketjua, joka tuottaa 36 algoritmista kubittia (AQ). Ketjurakenne mahdollistaa paljon muita loukkuioniratkaisuja nopeamman laskennan heikentämättä uskollisuutta.

Lähde: IonQ

IonQ hankki Qubitekkin tammikuussa 2025, adding to its operations the company’s team and 118 patents to IonQ. Qubitekk’s specialty is in quantum networks, using photonic interconnects, enabling quantum clusters, and advancing quantum internet capabilities.

Kvanttiverkkojen pitäisi mahdollistaa erittäin turvallinen viestintä ja lopulta hajautettu kvanttilaskenta. Alan nopean kehityksen vuoksi tämän aiheen osaaminen ja immateriaalioikeudet voivat osoittautua IonQ:n tulevaisuudelle ratkaiseviksi.

IonQ is also developing a partnership with NKT Photonics (NKT.CO) to help develop future data center-ready quantum computers.

Se tekee myös yhteistyötä Imecin kanssa on photonic integrated circuits and chip-scale ion trap technology to scale up the company’s qubit count and system size and costs.

Instead of developing its own SDK (Software Development Kit), the company is supporting all the major ones at once, and partnering with many leading companies for developing new quantum computing applications.

Lähde: IonQ

IonQ is the closest to a pure quantum computing stock for investors who are uninterested in the main activities of other leaders like Google, Intel (INTC ), IBM, or Honeywell.

So together with its competitor Quantinuum, part of Honeywell (HON ), IonQ is closer to developing commercial quantum computers, with its focus on high fidelity, lower qubit count trapped-ion systems.

Its early success has helped it build a strong network of partnerships with other quantum computing innovators to keep pushing this technology forward, with a recent re-focus on networked quantum computers.

Study Reference:

^{1. Main, D., Drmota, P., Nadlinger, D.P., et al.(2025) Distributed quantum computing across an optical network link. Nature 638, 383–388. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08404-x}