Oxfordin tutkijat leikkaavat kvanttivirheen ennätysmatalle

Kasvava kiinnostus kvanttiteknologiaan on saanut sen markkinakoon ylittämään $1 miljardi ja sen arvioidaan olevan yli $170 miljardia vuoteen 2040 mennessä. McKinseyn mukaan kvanttiteknologia voisi luoda biljoonia dollareita arvoa seuraavan vuosikymmenen aikana. 

Kvanttiteknologian ekosysteemissä kvanttilaskenta erityisesti pitää valtavaa potentiaalia. Se käyttää kvanttimekaniikkaa, joka käsittelee aineen ja energian käyttäytymistä atomitasolla ja alkeishiukkasissa, ratkaistakseen monimutkaisia ongelmia. 

Kvanttilaskennan odotetaan vaikuttavan syvästi eri aloilla, kuten teknologiassa, tutkimuksessa, tieteessä, rahoituksessa ja taloudessa.

Toisin kuin perinteiset tietokoneet, kuten kannettavat tietokoneemme, jotka tallentavat ja käsittelevät tietoa biteissä, joista jokainen on nolla tai yksi, kvanttilaskennan perusyksikkö on kubitti. Kvanttipiiri koostuu monista kvantti biteistä, tai kubitteista, jotka ovat tyypillisesti alkeishiukkasia, kuten elektroneja tai fotoneja, joita manipuloidaan ja hallitaan erityisesti suunnitelluilla sähkö- ja magneettikentillä.

Kubitteja voi olla nollassa, yhdessä tai molempien yhdistelmässä. Tämä yhdistelmä, jota kutsutaan “superpositiotilaksi”, on erityinen ominaisuus, jonka avulla kvanttitietokoneet voivat tallentaa ja käsitellä äärimmäisen suuria tietomääriä paljon nopeammin kuin edes tehokkaimmat perinteiset tietokoneet.

Nykyään on olemassa monia eri tapoja valmistaa näitä kubitteja, kuten puolijohteiden, fotoniikan, suprajohtavien laitteiden ja muiden lähestymistapojen avulla.

Kubittien laatu on tässä erittäin tärkeä. Kuitenkin ne ovat herkkiä virheille tai kohinalle, jotka ovat ei-toivottuja häiriöitä, jotka voivat tulla monista lähteistä. Näitä lähteitä voivat olla esimerkiksi lämpötilan muutokset, valmistusprosessin epätäydellisyydet ja vuorovaikutus kubitin ympäristön kanssa, muiden muassa.
Nämä virheet vähentävät kubitin luotettavuutta, jota kutsutaan fideliteetiksi. Korkean fideliteetin kubitti on välttämätön kvanttipiirin suorittamaan monimutkaisia tehtäviä.

Kvanttiluotettavuuden toteuttaminen

Viimeisten vuosikymmenten aikana tutkijat ovat työskennelleet loogisten kubittien parissa, jotka viittaavat kubitteihin, jotka on koodattu käyttämällä joukkoa fyysisiä kubitteja virheiden suojaamiseksi. Fyysiset kubitit edustavat todellista kvanttihardwarea, kun taas looginen kubitti on abstraktio, joka jäljittelee vikakestävää kubittia.

Suuret kvanttipiirien kehittäjät ovat siirtäneet fokuksensa loogisiin kubitteihin ja tekevät merkittävää edistystä kvanttivirheenkorjauksessa.

Esimerkiksi joulukuussa 2024 Google (GOOG ) esitteli kvanttipiirinsä nimeltä Willow. Tämä uusi piiri, joka perustuu suprajohtaviin kubitteihin, on saanut kiitosta merkittävänä läpimurtona kvanttiteknologian alalla, vaikka sillä ei tällä hetkellä ole todellisia sovelluksia.

Tyypillisesti, mitä enemmän kubitteja käytetään, sitä enemmän virheitä tulee, ja järjestelmä muuttuu klassiseksi. Kuitenkin Google osoitti¹ että mitä enemmän kubitteja he käyttivät Willowissa, sitä vähemmän virheitä he vähensivät, ja järjestelmästä tuli yhä kvanttimaisempi.

Teknijätti pystyi vähentämään virheitä “eksponentiaalisesti” lisäämällä kubittien määrää, sanoi Hartmut Neven, Google Quantum AI:n perustaja. Tämä “ratkaisee keskeisen haasteen kvanttivirheenkorjauksessa, jota ala on pyrkinyt ratkaisemaan lähes 30 vuotta”, hän lisäsi.

Mittatakseen Willowin suorituskykyä Google käytti satunnaisen piirin näytteenotto (RCS) -standardia. Sen kvanttipiiri suoritti laskennan alle viidessä minuutissa, mikä veisi supertietokoneelta 10 septillion vuotta.

Tammikuussa tänä vuonna Microsoft (MSFT ) myös esitteli maailman ensimmäisen kvanttiprosessorin, joka toimii topologisilla kubitteilla. Majorana 1 on suunniteltu skaalautumaan miljoonaan kubittiin yhdellä piirillä. Tämän saavutuksen myötä teknologiavalan suuri yritys sanoi olevansa matkalla rakentamaan skaalautuvan, vikakestävän kvanttitietokoneen prototyyppiä vain muutamassa vuodessa.

Majorana 1:n perusta on tiimiin kuuluva läpimurto, erityisesti topokonduktori, materiaaliluokka, joka mahdollisti topologisen suprajohtavuuden luomisen. Tämä on tulosta laitteesta, joka yhdistää alumiinia (suprajohtaja) ja indiumarsenia (puolijohde).

Kun tämä laite jäähdytetään lähes nollaan ja sitten säädetään magneettikentillä, se muodostaa topologisia suprajohtavia nanokuituja, joiden päät sisältävät Majorana Zero Modes (MZM), jotka toimivat kubittien rakennuspalikoina.

Vapauttaakseen kvanttien lupauksen tiimi on jo sijoittanut kahdeksan topologista kubittia piiriin, joka on suunniteltu majoittamaan miljoona.

Jopa Amazon (AMZN ) on julistanut kvanttipiirinsä nimeltä ‘Ocelot’, joka käyttää skaalautuvaa arkkitehtuuria virhekorjauksen vähentämiseksi jopa 90%.

Piiri koostuu kahdesta integroidusta piilisilikon mikropiiristä, joista jokainen on noin yhden neliösenttimetrin kokoinen, liitetty toistensa päälle sähköisesti yhteydessä olevassa piiripinossa. Jokaisen mikropiirin pinnalla on ohuita suprajohtavien materiaalien kerroksia, jotka muodostavat kvanttipiirin elementit.

Ocelot-piirissä on yhteensä 14 pääelementtiä, mukaan lukien viisi datakubittia (kissa-kubitit), viisi lisäkubitia datakubittien vakauttamiseen ja neljä lisäkubitia virheiden havaitsemiseen datakubitteissa.

Kissa-kubitit tallentavat kvanttitaloja, joihin ne perustuvat oskillaatoreihin, jotka on valmistettu ohuesta tantaliumkalvosta ja tuottavat tasaisesti toistuvan sähköisen signaalin. 

“Viimeisten kvanttitutkimusten edistymisen myötä kysymys ei ole enää jos, vaan milloin käytännölliset, vikakestävät kvanttitietokoneet ovat saatavilla todellisissa sovelluksissa. Ocelot on tärkeä askel tällä matkalla.”

– Oskar Painter, AWS:n kvanttihardwarejohtaja.

Uskotaan, että Ocelot-arkkitehtuuri nopeuttaa heidän “aikatauluaan kohti käytännöllistä kvanttitietokonetta jopa viidellä vuodella.”

Kilpailu vikakestävien kvanttijärjestelmien puolesta

Kvanttilaskentojen tarkkuuden parantaminen on yritysten ja tutkijoiden yhteinen tavoite maailmanlaajuisesti, ja merkittäviä edistysaskeleita on saavutettu.

Muutama vuosi sitten MIT:n tutkijat esittelivät uuden suprajohtavan kubittikehyksen, joka pystyy suorittamaan kubittien välisten operaatioiden kanssa erittäin tarkasti. Uusi suprajohtava kubitti on fluxonium, jolla voi olla elinikä tai koherenssiaika paljon pidempi kuin yleisesti käytetyillä.

Koherenssiaika on mittari sille, kuinka kauan kubitti voi suorittaa operaatioita ennen kuin kaikki tieto kubitissa häviää.

“Mitä pidempään kubitti elää, sitä korkeampi on operaatioiden fideliteetti, jonka se pyrkii edistämään.”

– Pääkirjoittaja, Leon Ding

Arkkitehtuuri sisälsi erityisen kytkentäelementin kahden fluxonium-kubitin välillä, mahdollistaen niiden suorittaa loogisia operaatioita, eli portteja, erittäin tarkasti. Se tukahduttaa taustakohinaa, joka voi aiheuttaa virheitä kvanttitoiminnoissa.

Kahden kubitin porttien tarkkuus ylitti 99,9 % ja yhden kubitin porteissa 99,99 %. Arkkitehtuuri toteutettiin piirin avulla käyttäen laajennettavaa valmistusprosessia.

“Suuren mittakaavan kvanttitietokoneen rakentaminen alkaa vahvoista kubitteista ja porteista,” ja tutkimus osoitti erittäin lupaavan kahden kubitin järjestelmän, totesi Ding. Fluxonium-kubit saavuttivat yli millisekunnin koherenssiajan. Seuraavaksi he aikovat lisätä kubittien määrää.

Muutama kuukausi sitten MIT:n tutkijat myös esittelivät suprajohtavan kvanttipiirin, joka saavutti vahvan epälineaarisen kytkennän fotonien (mikroaaltovalon) ja keinotekoisten atomien (kubittien) välillä. Tämä voisi mahdollistaa kvanttiedon lukemisen ja käsittelyn muutamassa nanosekunnissa.

Tähän tutkijat käyttivät ainutlaatuista suprajohtavaa piirikehystä osoittaakseen epälineaarisen valon-materia -kytkennän, joka on merkittävästi vahvempi kuin aiemmin havaittu ja voi mahdollistaa kvanttiprocessorin toimimaan jopa kymmenen kertaa nopeammin.

According to lead author Yufeng “Bright” Ye:

“Tämä todella poistaisi yhden pullonkauloista kvanttiteknologiassa. Yleensä täytyy mitata laskennan tulokset virhekorjauksen kierrosten välillä. Tämä voisi nopeuttaa, kuinka nopeasti voimme saavuttaa vikakestävän kvanttitungin vaiheen ja saada todellisia sovelluksia ja arvoa kvanttitungiltamme.”

Huomionarvoisesti, Ye keksi uuden tyyppisen kvanttikytkimen, joka helpottaa kubittien välistä vuorovaikutusta. Quarton-kytkin on erityinen suprajohtava piiri, joka voi tuottaa äärimmäisen vahvan epälineaarisen kytkennän, ja syöttämällä siihen enemmän virtaa, kytkin luo vielä vahvemman epälineaarisen vuorovaikutuksen. Ye selitti:

“Useimmat hyödylliset vuorovaikutukset kvanttiteknologiassa tulevat valon ja aineen epälineaarisesta kytkennästä. Jos voit saada monipuolisemman valikoiman erilaisia kytkentätyyppejä ja lisätä kytkennän voimakkuutta, voit periaatteessa lisätä kvanttitungin prosessointinopeutta.”

Tämän työn avulla tutkijat toivovat, että muutkin pystyvät rakentamaan vikakestävän kvanttitungin käytännölliseen, laajamittaiseen kvanttilaskentaan.

SQMS Nanofabrication Taskforce:n innovaatiot ovat saavuttaneet² koherenssiaikoja jopa 0,6 millisekuntia, mikä johtui optimoidusta kubittisuunnittelusta ja parannetuista lukur resonansseista, jotka molemmat paransivat vakautta ja koherenssia.

Tämä yhteistyö National Institute of Standards and Technology (NIST), Fermilabin Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) -keskuksen sekä useiden muiden hallituksen, yliopistojen ja teollisuuden kumppaneiden välillä pyrkii tuomaan kvanttitutkimuksen lähemmäs todellisuutta.

Kaikkien näiden aloitteiden keskellä Oxfordin yliopiston fyysikot ovat asettaneet uuden maailmanennätyksen kubittien toiminnan tarkkuudessa.

Uuden globaalin mittapuun asettaminen kvanttitäsmällisyydessä

Uusi tutkimus, julkaistu Physical Review Letters³, osoittaa, että Oxfordin fyysikot ovat saavuttaneet virheraten vain 0,000015 % yhdelle kvanttilogisen operaation suorittamiselle. 

Tämä tarkoittaa yhtä virhettä 6,7 miljonnassa operaatiossa, mikä on uusi ennätys kubittien toiminnan tarkkuudessa ja suuri harppaus kohti kestävämpien ja hyödyllisempien kvanttitietokoneiden rakentamista, jotka pystyvät käsittelemään erittäin monimutkaisia ongelmia vähemmän fyysisillä kubitteilla ja pienemmillä infrastruktuurivaatimuksilla.

“Mitä tiedämme, tämä on maailman tarkin kubittien toiminto koskaan kirjattu. Se on tärkeä askel kohti käytännöllisten kvanttitietokoneiden rakentamista, jotka voivat ratkaista todellisia ongelmia.”

– Tutkimuksen yhteiskirjoittaja, professori David Lucas, fysiikan laitoksesta, Oxfordin yliopisto

Mielenkiintoista on, että tämä läpimurto rikkoo aiemman ennätyksen, jonka asetti sama tiimi. Uusi ennätys on noin seitsemän kertaa tarkempi kuin heidän edellinen.

Hieman yli kymmenen vuotta sitten tiimi suoritti⁴ kaikki yksittäisten kubittien operaatiot hyvin yli virheenkorjauksen vähimmäiskynnyksen, käyttäen ansaittua ionikubittia, joka oli tallennettu hyperfiniittisiin “atomikello” -tiloihin. Tuolloin heidän yksittäisen kubitin virherate oli 1 miljoonassa.

Tämä menestys johti spinout-yrityksen Oxford Ionicsin perustamiseen vuonna 2019, joka on noussut johtavaksi korkean suorituskyvyn ansaittujen ionikubittialustojen tarjoajaksi. Toukokuussa 2025 se esitteli kolme lyhytaikaista kehitysvaihetta: ‘Foundation’, ‘Enterprise‑grade’, ja ‘Value at scale’, tavoitteenaan saavuttaa laaja kaupallinen arvo seuraavien kolmen vuoden aikana ja toimittaa miljoona kubittia sisältäviä laitteita. Viime viikolla Oxford Ionics solmi sopimuksen IonQ (IONQ ) kanssa, jonka arvo on 1,075 miljardia dollaria.

Nyt sama tiimi on saavuttanut uuden virstanpylvään vähentämällä kvanttilogisten porttien virheiden todennäköisyyttä.

Hyödyllisten laskelmien suorittaminen kvanttitietokoneella vaatii miljoonia operaatioita, jotka ajetaan monien kubittien yli. Mutta tällainen mittakaava tarkoittaa, että korkea virherate voi tehdä lopputuloksen merkityksettömäksi.

Virheen korjaaminen voi korjata virheen, mutta se vaatii vielä enemmän kubitteja. Siksi virheen vähentäminen vähentää tarvittavien kubittien määrää, mikä puolestaan pienentää kvanttitietokoneen kokoa ja kustannuksia.

“Vähentämällä virhemarginaalia dramaattisesti, tämä työ vähentää merkittävästi virhekorjauksen vaatimaa infrastruktuuria, avaten tien tuleville kvanttitietokoneille, jotka ovat pienempiä, nopeampia ja tehokkaampia. Kubittien tarkka hallinta on myös hyödyllistä muille kvanttiteknologioille, kuten kelloille ja kvanttitunnistimille,” sanoi tutkimuksen yhteisjohtaja Molly Smith, Oxfordin tohtoriopiskelija.

Saavuttaakseen ennennäkemättömän tarkkuustason fyysikot käyttivät ansaittua kalsiumioniä kvanttibittinä tai kubittina.

Kalsiumioneja käytetään yleisesti kvanttiedon tallentamiseen niiden pitkien koherenssiaikojen ja korkean fideliteetin vuoksi kvanttitoiminnoissa. Ne ovat myös erittäin kestäviä ja helppoja manipuloida laserilla.

Oxfordin tiimi ei kuitenkaan käyttänyt perinteistä laserimenetelmää; sen sijaan he käyttivät elektronisia (mikroaaltosignaaleja) kvanttitalon kalsiumioniin hallitsemiseen.

Tämän tekniikan avulla he saavuttivat suuremman vakauden kuin laserihallinta pystyi tarjoamaan. Mutta se ei ole kaikki. Verrattuna laserihin, elektroninen ohjaus on myös edullisempaa ja kestävämpää. Se on myös helpompi integroida ionikytkentäpiireihin.

Lisäksi kokeilu suoritettiin ilman magneettisuojaa ja huoneenlämpötilassa, mikä yksinkertaistaa teknisiä vaatimuksia toimivalle kvanttitietokoneelle.

Tiimi onnistui vähentämään virhettä lähes kymmenkerrällä tällä kertaa paremmalla mikroaaltien amplitudin ja detunoinnin hallinnalla automatisoitujen kalibrointimenetelmien avulla. Lisäksi suuremmat Zeeman-jakautumat ja pulssin muotoilu vähensivät spektrin siirtymisiä, mikä myös edisti tarkkuutta.

Ennätyksellinen tarkkuus on valtava saavutus; kuitenkin se on vain osa suurempaa haastetta. Kuten tiimi totesi, kvanttitungin on toimittava sekä yhden- että kahden‑kubitin porteilla, ja kahden‑kubitin portit kärsivät edelleen korkeista virherateista.

Tällä hetkellä paras virherate on noin 1:2000, joten täysivikaisten kvanttikoneiden rakentamiseksi tiimin on alennettava tätä lukua.

Korkean fideliteetin yhden‑kubitin operaatiot ovat edelleen hyödyllisiä sekä kvanttitiedossa että sen ulkopuolella, mukaan lukien ‘idle’-kubittien suojaaminen dynaamisella kytkennällä, kvanttihavainnointisovelluksissa, ja yhdistetyt pulssisarjat yksittäisten kubittien käsittelemiseen ja virheiden kompensointiin.

Sijoittaminen kvanttilaskentaan

International Business Machines Corporation (IBM ), joka on tunnettu hybridi-pilvi- ja AI-alustoistaan sekä konsultointi- ja infrastruktuuripalveluistaan, on tutkinut kvanttiteknologiaa 1970‑luku­lta lähtien. Vuonna 2016 se lanseerasi IBM Quantum Experience, jonka avulla ensimmäinen kvanttiprosessori saatiin pilveen, tehden sen kaikkien saataville.

IBM (IBM ) 

Vuosien varrella IBM on jatkanut tutkimustaan alalla, ja viime viikolla se ilmoitti suunnitelmistaan saada käytännöllinen kvanttitietokone valmiiksi vuoteen 2029 mennessä.

Nimeltään “Starling”, vikakestävä kvanttitietokone, jossa on 200 loogista kubittia, rakennetaan Poughkeepsien, New Yorkin, keskellä rakenteilla olevan datakeskuksen yhteydessä.

Raporttien mukaan tiimi on kehittänyt uuden algoritmin, joka merkittävästi vähentää virheenkorjaukseen tarvittavien kubittien määrää. IBM:n kvanttihankkeen vastuuhenkilö Jay Gambetta sanoi seuraavaa haastattelussa:

“Olemme vastanneet näihin tieteellisiin kysymyksiin. Et tarvitse enää ihmettä. Nyt tarvitset suurta haasteita insinööritieteessä. Ei ole tarvetta keksien uudelleenkeksimiselle tai vastaavalle.”

Kun tarkastellaan 257,64 miljardin dollarin markkina‑arvoa, IBM:n markkinasuorituskyky on tällä hetkellä 278 dollaria osakkeelta, +26,11 % YTD. IBM:n osakkeet saavuttivat juuri viime viikolla kaikkien aikojen korkeimman tason (ATH) 281,75 dollaria.

Tämän myötä sen EPS (TTM) on 5,85 ja P/E (TTM) 47,42, kun osinkotuotto on 2,42 %.

IBM:n taloudessa se raportoi 14,5 miljardia dollaria liikevaihtoa vuoden 2025 ensimmäiselle neljännekselle. GAAP:n bruttokateprosentti oli 55,2 % ja non‑GAAP:n operatiivinen kate 56,6 %. GAAP:n ennen veroja tapahtuva tulokate oli 8 %, ja non‑GAAP:n operatiivinen kate 12 %.

“Ylitettiin odotukset liikevaihdossa, kannattavuudessa ja vapaan kassavirran osalta neljänneksellä, johtuen vahvuudesta ohjelmistosuunnistuksessamme. Generatiivisen AI:n kysyntä jatkuu vahvana ja liiketoimintamme arvo on yli 6 miljardia dollaria perustamisesta tähän mennessä, ylittäen miljardin dollarin neljänneksellä.”

– Toimitusjohtaja Arvind Krishna

Vuoden ensimmäisen neljänneksen aikana operatiivisesta toiminnasta syntynyt nettokassa oli 4,4 miljardia dollaria, ja vapaa kassavirta 2 miljardia dollaria. IBM päätti neljänneksen 17,6 miljardia dollaria käteisellä, rajoitetulla käteisellä ja helposti myytävillä arvopapereilla.

Vahva likviditeettiasema ja vakaa vapaa kassavirta mahdollistivat yhtiön palauttaa 1,5 miljardia dollaria osakkeenomistajille osinkojen muodossa. Se myös investoi 7,1 miljardia dollaria yritysostoihin, mukaan lukien HashiCorpin osto. Krishna:n mukaan:

“Olemme edelleen optimistisia pitkän aikavälin kasvumahdollisuuksista teknologialle ja globaalille taloudelle.”

Uusimmat International Business Machines Corporation (IBM) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Johtopäätös: Seuraavat askeleet kohti kvanttirealiteettia

Tieteilijöistä yrityksiin ja hallituksiin, kaikki ovat aktiivisesti ja syvästi mukana tekemässä kvanttitungista todellisuutta. Oxfordin tiimin ja teknologiajättien viimeisimmät läpimurrot parantavat merkittävästi kubittien luotettavuutta ja tekevät virhekorjauksesta tehokkaampaa, mikä tarkoittaa, että seuraava kvanttihyppy ei enää ole vuosikymmenten päässä, vaan käytännölliset kvanttikoneet ovat väistämättömiä!

Klikkaa tästä saadaksesi listan johtavista kvanttilaskentayrityksistä.

Viitteet:

^{1. Google Quantum AI and Collaborators. Quantum Error Correction Below the Surface Code Threshold. Nature 2025, 638 (8016), 920–926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
2. Bal, M.; Crisa, F.; Murthy, A. A.; et al. SQMS Nanofabrication Taskforce: Towards Fabrication of High Coherence Superconducting Qubits. Conference, 20 syyskuu 2024. https://doi.org/10.2172/2462792
3. Smith, M. C.; Leu, A. D.; Miyanishi, K.; et al. Single‑Qubit Gates with Errors at the 10⁻⁷ Level. Phys. Rev. Lett. 2025, 134, 230601. https://doi.org/10.1103/42w2-6ccy
4. Harty, T. P.; Allcock, D. T. C.; Ballance, C. J.; et al. High‑Fidelity Preparation, Gates, Memory, and Readout of a Trapped‑Ion Quantum Bit. Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 220501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.220501}