Lattice Surgery -demo edistää vikakestävää kvanttitulostusta

ETH Zürichin tutkijoiden johtama ryhmä osoitti äskettäin, miten kvanttibittejä voidaan lomittaa hilaoperaation avulla. Menetelmän ansiosta insinöörit voivat rakentaa tehokkaampia kvanttitietokoneita, laajentaa laitteiden jo ennestään vaikuttavia ominaisuuksia ja avata tietä tulevalle käyttöönotolle. Tässä tärkeimmät tiedot.

Mikä tekee kvanttietokoneista perustavanlaatuisesti erilaisia

Monet pitävät kvanttitietokoneita tietokoneiden kehityksen seuraavana vaiheena. Ne voivat tarjota tuhansia kertoja enemmän laskentatehoa, joten ne soveltuvat erinomaisesti monimutkaisiin tieteellisiin laskelmiin ja muihin vaativiin tehtäviin.

Kvanttitietokoneet ovat osoittautuneet paljon perinteisiä tietokoneita tehokkaammiksi. Ne käsittelevät tietoa kubittien, superposition, lomittumisen ja interferenssin avulla, mikä mahdollistaa miljoonien laskutoimitusten rinnakkaisen suorittamisen.

Miksi kvanttivirhekorjaus on ydinpulma

Kvanttidatan tallentaminen on kuitenkin paljon vaikeampaa kuin perinteisten bittien, joita voidaan kopioida ja säilyttää. Haettaessa kopioita voidaan verrata keskenään ja varmistaa, ettei data ole vioittunut.

Kvanttivirheenkorjaus on monesta syystä huomattavasti monimutkaisempaa. Kubitteja ei voi kopioida samalla tavoin kuin perinteisiä bittejä, vaan menetelmä perustuu kubittien välille luotuihin lomittuneisiin tiloihin. Tämä hauras tila voi tuhoutua helposti.

Bittikäänteet ja vaiheenkäänteet

Kvanttitietokoneiden on lisäksi selviydyttävä dekoherenssista ja vaihesiirtymistä. Kubitin vaihe voi muuttua yllättäen positiivisesta negatiiviseksi ilman varoitusta, mikä vaikeuttaa kvanttidatan pitkäaikaista säilyttämistä.

Miten insinöörit korjaavat tämän ongelman

Insinöörit ovat yrittäneet korjata näitä kvanttisiirtymiä useilla tavoilla. Yleinen menetelmä on muodostaa looginen kubitti useista muista kubiteista ja kohdistaa siihen jatkuvasti virheenkorjausta tarkkuuden varmistamiseksi.

Menetelmä edellyttää tarkoitusta varten rakennettujen stabilisaattorien tilan jatkuvaa mittaamista. Niiden avulla insinöörit voivat seurata kubitin muutoksia muuttamatta sen arvoa, sillä ne tuottavat seurattavat bitti- ja vaihelukemat.

Prosessissa syntyy datakubitteja, joihin korjaustila tallennetaan. Ongelmana on, että useimmat kvanttitietokoneet perustuvat suprajohtavien kubittien kaksiulotteisiin ryhmiin.

Kubittien paikat ovat kiinteitä, eikä niitä voi siirtää vahingoittamatta kvanttitilaa. Stabilisaattorit auttavat ylläpitämään vakautta, mutta ne toimivat vain vierekkäisissä kubiteissa. Siksi ne sopivat ainoastaan kaksiulotteisiin kubittisovelluksiin ja niiden käyttöala on hyvin rajallinen.

Hilaoperaatiota hyödyntävä kubittitutkimus

Kvanttilaskennan parantamiseksi ETH Zürichin ja Paul Scherrer -instituutin tutkijat julkaisivat Nature Physics -lehdessä tutkimuksen ”Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits¹”.

Tutkimuksessa esitellään uusi menetelmä kvanttilomittumiseen ja stabilisaattorien käyttöön. Sen avulla kvanttitietokone voi suorittaa operaatioita suprajohtavien loogisten kubittien välillä samalla, kun virheet korjataan reaaliajassa.

Mitä hilaoperaatio tarkoittaa kvanttilaskennassa?

Uuden kehityksen ytimessä on hilaoperaatio eli lattice surgery. Siinä topologiset koodit liitetään yhteen loogisten kubittien välillä. Menetelmä tukee kaksiulotteisia kubittiasetteluja ja vikasietoisia porttioperaatioita.

Hilaoperaation avulla insinöörit pystyivät käyttämään logiikkaportteja koodattujen kubittien välillä, vaikka ne eivät sijainneet vierekkäin. Suoran kosketuksen välttäminen vähentää dekoherenssista aiheutuvia virheitä.

Hilaoperaatio käyttää lohkoja eli kubitteja, joihin on liitetty stabilisaattorit. Prosessi yhdistää portit väliaikaisesti ja mahdollistaa pariteettitarkistukset sekä suuremman koodiavaruuuden laskentaa varten. Työ on yksi ensimmäisistä kokeellisista osoituksista, joissa hilaoperaatio tehtiin koodattujen loogisten kubittien välillä suprajohtavalla pintakoodilaitteistolla ja reaaliaikainen virheenkorjaus säilytettiin koko operaation ajan.

Miten lattice surgery -kokeilu toteutettiin

Insinöörit tekivät useita kokeita laskelmiensa varmistamiseksi. Ensin ryhmä rakensi kvanttilaitteen, jonka logiikkaportti koostui 17:stä likimain neliön muotoon asetellusta suprajohtavasta kubitista.

Lomitettuaan kaksi kubittia insinöörit keskittyivät erotusoperaatioihin. Loogiset kubitit koodattiin bitinkääntötoistoilla, minkä jälkeen stabilisaattorien tuloksia seurattiin 1,66 mikrosekunnin välein samalla kun bitti- ja vaihekääntövirheitä korjattiin.

Menetelmä jakaa pintakoodin neliön kahtia, mikä helpottaa seurantaa ja testausta. Koetulokset vahvistivat tutkijoiden teoriat.

Hilaoperaatiokokeen tulokset

Insinöörien mukaan bitinkääntövirheet korjattiin reaaliajassa. Menetelmä paransi tulosta samoissa olosuhteissa testattuihin koodaamattomiin piireihin verrattuna, ja tutkijat onnistuivat luomaan kaksi toisiinsa lomittunutta loogista kubittia.

Hilaoperaation hyödyt

Tutkimus tuo alalle monia hyötyjä. Se avaa tien tehokkaammille ja tarkemmille kvanttitietokoneille. Kun vikasietoisuus ja korjaukset voidaan koodata laitteisiin entistä paremmin, tulevat versiot voivat tarjota enemmän suorituskykyä ja vakautta.

Hilaoperaation käytännön sovellukset ja aikataulu

Työllä on useita sovelluksia. Ennen kaikkea tutkimus auttaa laajentamaan ja parantamaan kehittyvää kvanttitietokonealaa. Se lisää laitteiden vakautta ja antaa insinööreille mahdollisuuden rakentaa tehokkaampia järjestelmiä, joissa operaatioihin käytetään yhä useampia kubitteja.

Hilaoperaation käyttöönoton aikataulu

Insinöörien mukaan työtä on vielä paljon ennen kuin teknologia on valmis nykyisiin edistyneisiin kvanttilaitteisiin. Sitä voidaan kuitenkin odottaa käyttöön alalla seuraavien 7–10 vuoden aikana kvanttitietokoneiden yleistymisen rinnalla.

Hilaoperaatiotutkimuksen tekijät

Tutkimukseen osallistui tutkijoita useista arvostetuista laitoksista. Tutkimuspaperia johti D-PHYSin professori Andreas Wallraff, ja sen kanssakirjoittajia olivat professori Markus Müller RWTH Aachen -yliopistosta ja Forschungszentrum Jülich -tutkimuskeskuksesta.

Tutkimuksen tekijöiksi luetellaan myös Ilya Besedin, Michael Kerschbaum, Jonathan Knoll, Ian Hesner, Lukas Bödeker, Luis Colmenarez, Luca Hofele, Nathan Lacroix, Christoph Hellings, François Swiadek, Alexander Flasby, Mohsen Bahrami Panah ja Dante Colao Zanuz.

Hilaoperaation tulevaisuus

Teknologian tulevaisuus näyttää valoisalta. Tavoitteena on yhdistää se muihin viimeaikaisiin läpimurtoihin, jotta insinöörit voivat rakentaa hyödyllisiä kvanttitietokoneita, jotka käyttävät kymmenien sijasta tuhansia kubitteja.

Sijoittaminen kvantti-innovaatioihin

Kvanttilaskennan alaa hallitsee joukko tutkimusyhtiöitä, jotka ovat sijoittaneet teknologiaan miljoonia. Ne tutkivat teknologiaa innovatiivisesti ja löytävät ratkaisuja, joita aiemmin pidettiin mahdottomina. Seuraava yhtiö on edistänyt alan tulevaa kehitystä ja käyttöönottoa.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) perustettiin vuonna 2013. Chad Rigettin tavoitteena oli rakentaa maailman tehokkaimmat suprajohtavaan kubittiteknologiaan perustuvat kvanttitietokoneet. Toisin kuin loukkuun vangittuja ioneja käyttävä IonQ, Rigetti keskittyy suprajohtaviin piireihin, mikä vastaa läheisesti ETH Zürichin suprajohtavilla loogisilla kubiteilla tekemää hilaoperaatiotutkimusta.

Vuonna 2018 Rigetti esitteli 128 kubitin sirun ja on sittemmin ollut ”täyden pinon” kvanttilaskennan edelläkävijä. Kokonaisuuteen kuuluu Fab-1, maailman ensimmäinen yksinomaan kvanttipiireille omistettu tuotantolaitos, jossa yhtiö suunnittelee ja valmistaa omat kvanttiprosessorinsa.

Rigetti on edistynyt merkittävästi kvantti- ja klassisen laskennan yhdistämisessä. Sen Quantum Cloud Services (QCS) -alusta yhdistää kvanttiprosessorit tehokkaaseen klassiseen infrastruktuuriin, jota nykyisessä tutkimuksessa käsitelty reaaliaikainen virheenkorjaus edellyttää. Vuonna 2021 Rigetti listautui NASDAQiin yhdistymällä Supernova Partners Acquisition Company II:n kanssa.

Nykyisin Rigetti kehittää aktiivisesti Ankaa-luokan järjestelmiä, joissa käytetään säädettävien kytkimien neliöhilaa. Arkkitehtuuri on suunniteltu tukemaan juuri sellaisia vikasietoisia operaatioita ja loogisten kubittien koodausta, joita ETH Zürichin uusin tutkimus osoitti.

Uusimmat Rigetti Computingin (RGTI) uutiset ja kehitys

Hilaoperaatio kubiteilla | yhteenveto

Kvanttitietokoneet lupaavat vertaansa vailla olevaa laskentatehoa, mutta niiden hauraus on tehnyt niistä liian kalliita useimpien ihmisten käyttöön tai omistukseen. Uusin työ auttaa vakauttamaan laitteita ja vie maailmaa askeleen lähemmäs kohtuuhintaista ja luotettavaa vaihtoehtoa. Tästä ja muista syistä insinöörit ansaitsevat suuret kiitokset.

Lue muista kvanttitietokoneiden läpimurroista täältä.

Lähteet

^{1. Besedin, I., Kerschbaum, M., Knoll, J., Hesner, I., Bödeker, L., Colmenarez, L., Hofele, L., Lacroix, N., Hellings, C., Swiadek, F., Flasby, A., Bahrami Panah, M., Colao Zanuz, D., Müller, M., & Wallraff, A. (2026). Lattice surgery toteutettu kahdella kolmen etäisyyden toistokoodilla suprajohtavilla kubitteilla. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}