Kvanttilaskenta: Uusi älykäs vahvistin säästää energiaa

Ruotsin Chalmersin teknillisen korkeakoulun tutkijat ovat kehittäneet matalassa lämpötilassa toimivan mikroaalto-vahvistimen, joka käynnistyy vain kubitin lukupulssin ajaksi. Kokeissa se kulutti keskimäärin noin kymmenesosan jatkuvasti päällä olevan vertailuvahvistimen tehosta ja reagoi 35 nanosekunnissa. Tulos koskee kvanttitietokoneen lukuelektroniikkaa, ei valmista uutta kvanttitietokonetta tai todistettua yleistä laskentanopeuden kasvua.

Miksi kubittien luku tarvitsee vahvistimen?

Tavallinen bitti on laskennassa 0 tai 1. Kubitin kvanttitila voi olla näiden tilojen superpositio, mutta mittaus tuottaa lopulta klassisen tuloksen. Kubitista saapuva mikroaaltosignaali on hyvin heikko, joten se täytyy vahvistaa lukulaitteessa häviöiden ja kohinan hallitsemiseksi. Superpositio ei tarkoita, että kubitti antaisi mittauksessa ”kaikki arvot yhtä aikaa”. Kvanttikoneet eivät myöskään ole yleisesti nopeampia kuin klassiset tietokoneet jokaisessa tehtävässä.

Jäähdytyksen tehobudjetti

Monet kvanttiprosessorit toimivat erittäin matalissa lämpötiloissa. Jatkuvasti toimivat vahvistimet tuottavat lämpökuormaa jäähdytysjärjestelmään, ja lukukanavien määrän kasvu lisää tehontarvetta. Tutkijat selvittivät, voidaanko vahvistin kytkeä päälle vain lukupulssin ajaksi ilman olennaista haittaa lukusignaalille.

Pulssitettu HEMT-vahvistin

Tutkimus Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout käsittelee kryogeenistä, pienikohinaista transistori-vahvistinta. Tiimi käytti porttijännitteen aaltomuotoa ohjaavaa algoritmia, jotta vahvistin ehtisi kytkeytyä toimintatilaan ennen kubitin lyhyttä lukupulssia. Laite rakennettiin tutkimusasetelmaan, jossa tutkittiin vahvistuksen ja kohinan palautumista käynnistyksen jälkeen.

Mittaukset ja tulokset

Tutkijat mittasivat muun muassa ajallista kohinaa, vahvistusta ja virran muutoksia kylmässä testijärjestelyssä. Chalmersin mukaan vahvistin reagoi lukupulssiin 35 nanosekunnissa ja käytti pulssitetussa käytössä noin kymmenesosan jatkuvan käytön tehosta. Väite koskee tämän vahvistimen toimintatapaa ja vertailuolosuhteita. Se ei tarkoita, että koko kvanttitietokoneen sähkönkulutus laskisi 90 prosenttia tai että kubittien lukutarkkuus paranisi kaikissa laitteissa.

Tulokset osoittavat mahdollisen keinon vähentää lukuelektroniikan lämpökuormaa, mikä on tärkeää lukukanavien lisäämisessä. Ennen laajaa käyttöä on tutkittava esimerkiksi yhteensopivuutta erilaisten kubittien, laitteistojen ja pitkien käyttöjaksojen kanssa.

Mahdolliset sovellukset

Vähävirtaisemmat vahvistimet voisivat auttaa tulevien kvanttiprosessorien rakentamisessa. Lääkekehitys, salaus, optimointi ja logistiikka ovat aloja, joilla kvanttilaskennan käyttömahdollisuuksia tutkitaan. Tämä yksittäinen vahvistintutkimus ei kuitenkaan osoita, että nykyiset kvanttikoneet pystyisivät jo korvaamaan lääkekokeet, murtamaan kaiken salauksen tai ratkaisemaan suuria logistiikkatehtäviä sekunneissa. Kaupalliselle käyttöönotolle ei ole tutkimuksessa vahvistettua viiden tai kymmenen vuoden aikataulua.

Tutkijat ja rahoitus

Tutkimuksen tekijöihin kuuluvat Yin Zeng, Jörgen Stenarson, Peter Sobis ja Jan Grahn Chalmersista. Työtä tukivat muun muassa Vinnovan Smarter Electronic Systems -ohjelma ja Chalmersin WiTECH-keskus.

Nvidia ja kvanttilaskenta

Nvidia (NVDA ) kehittää klassista kiihdytettyä laskentaa ja ohjelmistoja, joita voidaan yhdistää kvanttiprosessorien ohjaukseen. Sen DGX Quantum -arkkitehtuuri on kehitetty Quantum Machinesin kanssa. Nvidia ei valmistanut tässä tutkittua Chalmersin vahvistinta eikä tutkimus todista yhtiön osakkeen tulevaa tuottoa.

Nvidian (NVDA) uusimmat osakeuutiset

Yhteenveto

Pulssitettu vahvistin on konkreettinen askel kvanttilaitteiden lukuelektroniikan tehonkulutuksen pienentämisessä. Sen merkitys suurelle kvanttitietokoneelle selviää vasta järjestelmätason jatkotesteissä. Lue lisää laskentateknologiasta.

Viitattu tutkimus

Zeng, Y., Stenarson, J., Sobis, P. ja Grahn, J. (2025). Pulsed HEMT LNA operation for qubit readout. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. doi:10.1109/TMTT.2025.3556982.