Kubitien ymmärtäminen – Teleportaatio- ja hallitun vuorovaikutuksen läpimurrot

Kvanttitietokoneiden maailmassa tapahtuu paljon. Suurikokoinen sirujen valmistaja Nvidia on lanseerannut avoimen lähdekoodin CUDA-Q-alustan nopeuttaakseen kvanttialgoritmien kehitystä, kun taas Kiina on luonut suurimman kvanttilaskentasilikänsä. Lisäksi Manchesterin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet erittäin puhdasta piitä, joka raivaa tietä seuraavan sukupolven tietokoneille.

Kaikki tämä innostus ja kehitys kvanttitietokoneiden ympärillä on järkevää, kun otetaan huomioon teknologian valtava potentiaali eri aloilla, kuten kryptografiassa, lääkekehityksessä, monimutkaisten optimointiongelmien ratkaisemisessa, koneoppimisalgoritmien parantamisessa ja monessa muussa.

Kvanttitietokoneet voivat saavuttaa kaiken tämän hyödyntämällä kvanttiteoriaa, joka kuvaa aineen ja energian käyttäytymistä atomitasolla ja vielä pienemmillä alkeishiukkasilla. Kvanttilaskenta käyttää alkeishiukkasia, kuten fotoneja ja elektroneja. Kubitit (kvantti-bittit) mahdollistavat näiden hiukkasten olemisen useissa tiloissa samanaikaisesti, ja niitä ohjataan ohjauslaitteilla.

Saavuttaakseen eksponentiaalisesti nopeampia nopeuksia kuin perinteinen tietokone kuluttaen vähemmän energiaa, kvanttitietokoneet käyttävät superpositiota ja lomittumista.

Superpositio tarkoittaa kahden tai useamman kvanttitilan yhdistämistä luodakseen uuden kelvollisen kvanttitilan. Kubittien superpositio mahdollistaa kvanttitietokoneiden suorittaa miljoonia operaatioita samanaikaisesti.

Lomittuminen tapahtuu, kun kaksi järjestelmää linkittyvät siten, että toisen tilan tunteminen antaa välittömästi tietoa toisesta. Tämä mahdollistaa kvanttitietokoneiden ratkaista monimutkaisia ongelmia nopeasti.

Ongelma on decoherence, eli kvanttitilan häviäminen kubitissa säteilyn, värähtelyn tai lämpötilan muutoksen kaltaisten tekijöiden vuoksi. Tämä aiheuttaa virheitä laskennassa. Suojellakseen kubitteja häiriöiltä ne sijoitetaan tyhjiökammioihin, eristykseen ja erittäin kylmiin jääkaappeihin.

Kuten näimme, kubitit näyttelevät keskeistä roolia kvanttialgoritmien toteuttamisessa, mutta kaikki niistä ei ole vielä tiedossa. Kuitenkin kaksi äskettäistä itsenäistä kokeilua ovat laajentaneet ymmärrystämme kubiteista, merkiten tärkeää askelta toimivan kvanttitietokoneen rakentamisessa.

Kvanttiteleportaatio Saavutettu

Uusi tutkimus on onnistuneesti saavuttanut kvanttiteleportaatio kaikista meluista huolimatta, jotka tavallisesti häiritsevät kvanttitilan siirtoa. Teleportaatiossa kubitti siirretään paikasta toiseen lähettämättä itse hiukkasta.

Teoriassa kvanttitilan siirto voidaan tehdä ongelmitta, mutta todellisessa maailmassa häiriöt ja melut heikentävät kvanttiteleportaatioiden laatua. Siksi viimeisimmän tutkimuksen tutkijat havaitsivat, että täydellisen kvanttiteleportaatio saavuttaminen melusta huolimatta on merkittävä saavutus.

Julkaistu Science Advances -lehdessä, tutkimus käsittelee sitä, miten lomittuminen ja decoherence ovat vastavoimia monille kvanttiprotokollille ja -teknologioille.

Tutkimuksen mukaan kvanttinen lomittuminen, joka tapahtuu korrelaatioissa, jotka ulottuvat mielivaltaisen pitkiin etäisyyksiin, on erittäin merkittävää kvanttimekaniikan perusteille. Sillä on monia sovelluksia tiedonkäsittelyssä ja viestinnässä. Kuitenkin kvanttisysteemin ja sen ympäristön vuorovaikutus on väistämätöntä, ja decoherence voi merkittävästi heikentää näiden sovellusten suorituskykyä.

Vaikka on olemassa monia lupaavia decoherence-suppression protokollia, kuten decoherence-vapaita alitiloja, dynaamista irrottamista, kvantti-virheenkorjauskoodia, viivästynyttä koherenttia kvanttipalautetta ja varastointien insinöörityötä apujärjestelmien kanssa, decoherence:n välttäminen on käytännössä erittäin vaativaa.

Tämän vuoksi tutkimus ehdotti tehokasta protokollaa kvanttiteleportaatioon täydellisessä decoherence-tilassa.

Tutkimuksen, jonka tekivät Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston (USTC) Hefein tutkijat sekä Turun yliopiston (Finland) tutkijat, toteuttama, käytti moniosaisesta hybridilomittumisesta apukubitien ja niiden paikallisten ympäristöjen välillä avoimen kvanttisysteemin kontekstissa, mikä mahdollisti korkean tarkkuuden.

Tutkijoiden mukaan lineaarinen optiikka on erityisen kestävä alusta erilaisten kvanttitiedon protokollien toteuttamiseen ja decoherence-ongelmien tutkimiseen.

Tämän tutkimuksen työ, jonka mukaan Turun yliopiston professori Jyrki Piilo toteuttaa, hyödyntää hajautetun lomittumisen käsitettä. Tämä lomittumisen jakelu ylittää käytetyt kubitit ja tehdään ennen protokollan suorittamista. Tämä tarkoittaa “erilaisten fyysisten vapausasteiden välisen hybridilomittumisen hyödyntämistä”, Piilo sanoi.

Perinteisesti fotonin polarisaatiota on käytetty kubittien lomittamiseen teleportaatiossa. Uusi lähestymistapa hyödyntää hybridilomittumista fotonin polarisaation ja taajuuden välillä.

Tämä tuo suuren muutoksen siihen, miten melu vaikuttaa protokollaan. Löytö, itse asiassa, “kääntää melun roolin haitallisesta hyödylliseen teleportaatiossa”, Piilo totesi.

Perinteisesti teleportaatio-protokolla ei toimi, kun on melua kubittien lomittumisen aikana, eikä myöskään kun aluksi on hybridilomittuminen ilman melua. Toisin kuin tämä, kun hybridilomittuminen on olemassa ja sen jälkeen lisätään melua, sekä teleportaatio että kvanttistilan siirto tapahtuvat lähes täydellisesti.

Näin ollen uusin löytö mahdollistaa lähes ihanteellisen teleportaatio melusta huolimatta, joka liittyy fotonien käyttöön.

Tutkijat kutsuvat tätä “merkittäväksi periaatekokeiluksi”, ja Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston (USTC) Hefein tohtori Zhao-Di Liu toteaa:

“Vaikka olemme tehneet lukuisia kokeita kvanttifysiikan eri osa-alueilla fotonien avulla laboratoriossamme, oli erittäin jännittävää ja palkitsevaa nähdä tämä erittäin haastava teleportaatio‑kokeilu onnistuneesti suoritettuna.”

Tutkimus totesi, että decoherence‑taistelun lisäksi hybridilomittuminen on myös auttanut heitä lisäämään ylimääräisen turvakerroksen. Tutkimus sanoi:

“Olisi mielenkiintoinen tulevaisuuden tutkimuslinja tutkia, kuinka syvästi teleportattu tieto voidaan piilottaa”

Tämä on vasta alkua, ja tutkimuksella on perustavanlaatuinen merkitys avaten uusia polkuja tulevalle työlle kvanttiprotokollissa, kun tätä käytetään perustutkimuksena. Yksi tapa, jolla tekniikkaa voidaan soveltaa, on tilansiirto kvanttiteleportaatioiden ulkopuolella ja decoherence‑vapaiden alitilojen ulkopuolella.

Tutkimus avaa myös mahdollisuuden tarkastella, voidaanko decoherence kääntää takaisin muilla fyysisillä alustoilla, mukaan lukien erilaiset melulähteet.

Klikkaa tästä oppiaksesi kvanttien nykytilasta.

Kahden kubitin portin toteuttaminen perinteisessä piisirussa

Toinen tutkimus, jossa suoritettu Sveitsin vanhimman yliopiston, Baselin yliopiston, tutkijoiden toimesta, yhteistyössä National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN:n kanssa, saavutti läpimurron saaden hallittavan vuorovaikutuksen kahden aukko-spini-kubitin välillä perinteisessä piisirussa.

Julkaistu Nature-lehdessä, tutkimus, joka sai avoimen pääsyn rahoitusta Baselin yliopistolta, totesi, että puolijohde-spini-kubit tarjoavat mahdollisuuden hyödyntää teollista transistoriteknologiaa suurten kvanttitietokoneiden valmistamiseen.

Jotta kvanttitietokone voisi suorittaa laskelmia, se tarvitsee “kvanttiportteja”, jotka ovat operaatioita, jotka manipuloivat kubitteja ja yhdistävät ne toisiinsa. Viimeisimmän tutkimuksen tutkijat pystyivät paitsi kytkemään kaksi kubittia myös aiheuttamaan hallitun spinin kääntymisen toisessa, joka riippuu toisen spinin tilasta. Kytkentä perustuu kahden spini-kubitin vaihtovaikutukseen.

“Aukko-spinit mahdollistavat kahden kubitin porttien luomisen, jotka ovat sekä nopeita että korkean tarkkuuden. Tämä periaate tekee nyt myös mahdolliseksi kytkeä suurempi määrä kubittipareja.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Tutkijat ovat jo osoittaneet muutama vuosi sitten, että aukko-spinit olemassa olevassa elektronisessa laitteessa voidaan siepata ja käyttää kubitteina. Nyt Kuhlmann johti tätä Baselin fyysikkojen tiimiä menestyksekkäästi toteuttamaan vuorovaikutuksen kahden kubitin välillä, joka voidaan hallita.

Vaikka kyseiset kubitit hyötyvät sähköisestä ohjattavuudesta ja sokeripisteistä, jotka neutraloivat varauksen ja melun, kahden kubitin vuorovaikutuksen demonstrointi on ollut haastavaa.

Tutkimuksen mukaan puuttuva tekijä on ollut vaihtokytkennän ymmärtäminen vahvan spini-orbitaali -vuorovaikutuksen aikana. Tämän ratkaisemiseksi tutkijat tutkivat kahta aukko-spini-kubittia piissä “FinFET”- tai fin-kenttäefektitransistorissa. Spini-orbitaali -vuorovaikutus tarkoittaa, että aukon spinitila vaikuttaa sen liikkeeseen avaruudessa.

Joten puolijohde-quantum-piste (QD) spini-kubit näkyvät suurimpina sopivina tuleviin suurten mittakaavojen kvanttipiirien toteutuksiin. Kuitenkin edes edistyksellisin spini-pohjainen kvanttiprosessori mahdollistaa tällä hetkellä universaalin ohjauksen kuudelle elektronispini-kubitille piissä (Si). Tämä on tiiviisti perässä neljän kubitin demonstraatio, jossa käytetään aukkoja germaniumissa.

Tutkimuksessa tutkijat käyttivät kubittia, joka hyödyntää elektronin tai aukon spiniä. Sekä elektronit että aukot pyörivät ja omaksuvat joko ylös- tai alaspäin-tilan.

Aukko-spinit, verrattuna elektronispineihin, voidaan hallita täysin sähköisesti ilman orbitalidegeneraatioita tai lisäkomponentteja kuten sirun sisäisiä mikromagneetteja, jotka lisäävät monimutkaisuutta. Tämä johtuu niiden sisäisestä spini-orbitaali -vuorovaikutuksesta (SOI). Aukot hyötyvät lisäksi vähentyneestä hyperfiniivaiheesta ja laakson puuttumisesta.

Täten tutkimus osoittaa kyvyn hallita sähköisesti vaihtokytkentää ja suorittaa ehdollisen spinin kääntymisen 24 ns:ssa. Vaihtohamiltoni ei enää ole Heisenberg-muodossa, ja sen voidaan suunnitella mahdollistamaan kahden kubitin ohjattu kiertoportti ilman nopeuden ja tarkkuuden välistä kompromissia. Tutkimuksen mukaan:

“Tämä ihanteellinen käyttäytyminen pätee laajalla magneettikentän suuntien alueella, tehden konseptista kestävän kubitista toiseen vaihtelun suhteen, mikä osoittaa, että se on sopiva lähestymistapa suurten mittakaavojen kvanttitietokoneen toteuttamiseen.”

Tämä tutkimus viittaa mahdollisuuteen järjestää miljoonia aukko-spini-kubitteja yhdelle sirulle. Sen lähestymistapa osoittaa myös suuria mahdollisuuksia suurten mittakaavojen kvanttitietokoneen kehittämiseen.

Tulevaisuudessa laitteiden valmistuksen parannuksia tarvitaan vaihtelun vähentämiseksi. Kun nämä yhdistetään vankkoihin ohjattuihin kiertopisteisiin (CROT), nämä edistysaskeleet “tekevät kahden kubitin porttitoiminnot anisotrooppisella vaihtokytkennällä erittäin houkutteleviksi suurten kubittitaulukoiden toteuttamiseen.”

Tutkimuksen edistysaskeleet, jos ne yhdistetään nopeaan lukemiseen ja toimintaan yli 1 K:n, voivat mahdollistaa FinFET:n käytön universaalina kvanttiprosessorina, joka on järjestetty sirulle klassisessa ohjauselektroniikassa.

Kvanttitietokoneiden kehitykseen osallistuvat yritykset

Katsotaanpa nyt yrityksiä, jotka työskentelevät aktiivisesti kvanttitietokoneiden parissa:

#1. IBM

IBM on johtanut kvanttialgoritmien tutkimusta monien vuosien ajan ja kehittänyt IBM Q System One -järjestelmän, ensimmäisen piirikytkentäisen kaupallisen kvanttitietokoneen. Yritys tarjoaa pääsyn kvanttisysteemeihinsä IBM Quantum Experience -alustan kautta.

Tämän kuukauden alussa IBM esitteli yli 1 000 kubitin kvanttiprosessorinsa Condor ja hyötykäyttöön suunnitellun prosessorinsa IBM Quantum Heron, jossa on 133 kubittia. Se myös ilmoitti modulaarisen kvanttitietokoneen, Quantum System Two, lanseerauksesta. Samaan aikaan IBM pyrkii Qiskit-ohjelmistopinojen kautta tekemään kvanttialgoritmien kehittämisestä laajasti saavutettavaa.

Tänä vuonna japanilainen kansallinen tutkimuslaitos RIKEN ilmoitti, että se ottaa käyttöön IBM:n kvanttiprosessorin ja kvanttitietokonearkkitehtuurin integroituna supertietokoneeseen Fugaku.

Yrityksen viimeaikainen tutkimus tällä alalla sisältää:

• Korkean kynnyksen ja vähäisen ylikuormituksen vikakestävien kvanttimuistien.
• Taikatilojen koodaus, jonka tarkkuus ylittää tasapainopisteen.
• Suuren mittakaavan kvantti-spiniketjujen simulointi pilvipohjaisilla suprajohtavilla kvanttitietokoneilla.

Kirjoitushetkellä yhtiön osakkeet kaupataan hintaan 167,36 $ (+2,33 % vuodesta alkaen), ja sen markkina-arvo on 153,73 miljardia $. IBM on raportoitu liikevaihto (TTM) 62,07 miljardia $, EPS (TTM) 9,19 ja P/E (TTM) 18,22. Osinkotuotto on 3,99 %.

Viimeisimmän Q1 2024 -talousraporttinsa aikana IBM:n liikevaihto kasvoi 1,5 % vuodesta toiseen neljänneksellä 14,5 miljardia dollariin ja vapaa kassavirta oli 1,9 miljardia dollaria. Yritys toteaa, että sen “vankka liikevaihto- ja vapaan kassavirran kasvu” heijastaa pilvi- ja AI-strategian vahvuutta.

#2. Google 

Kvanttitietokoneiden maailmassa Google on edistynyt merkittävästi Quantum AI -laboratorionsa kanssa, joka työskentelee sekä laitteiston että ohjelmiston parissa. Muutama vuosi sitten osasto lanseerasi Sycamoren, 53 kubitin kvanttiprosessorin. Tällä hetkellä teknologiayrityksen laitteisto keskittyy suprajohtaviin kubitteihin, kun taas sen edistynyt ohjelmistopino tutkii kvanttialgoritmien voimaa.

Muutama kuukausi sitten Google käynnisti monivuotisen, maailmanlaajuisen kilpailun löytääkseen todellisia käyttötapauksia kvanttialgoritmeille, jossa palkintona on 5 miljoonaa dollaria, joka jaetaan finalistien kesken. Google totesi maaliskuussa:

“Vaikka on monia syitä olla optimistinen kvanttialgoritmien potentiaalista, olemme edelleen osittain pimeässä siitä, mikä on täysi laajuus siitä, miten, milloin ja millaisiin todellisiin ongelmiin tämä teknologia osoittautuu kaikkein mullistavimmaksi.”

Yrityksen viimeaikainen tutkimus tällä alalla sisältää kvanttivirheiden tukahduttamisen skaalaamalla pinnakoodin loogista kubittia, vaiheensiirtymän satunnaisessa piirikuvauksessa sekä mittausindusoitua lomittumista ja teleportaatioita meluisalla kvanttiprosessorilla.

Kirjoitushetkellä yhtiön osakkeet kaupataan hintaan 107,48 $ (+21,94 % vuodesta alkaen), ja sen markkina-arvo on 2,12 biljoonaa $. Google on raportoitu liikevaihto (TTM) 218,14 miljardia $, EPS (TTM) 6,52 ja P/E (TTM) 26/13. Se maksaa osinkotuoton 0,47 %.

1Q24 tuloksissaan yhtiö ilmoitti 13 %:n liikevaihdon kasvun 86,3 miljardiin dollariin, nettotulokseksi 20,28 miljardia dollaria ja ensimmäisen koskaan 20 dollarin osingon per osake. Keväänä 2024 sen markkina-arvo saavutti uuden virstanpylvään, 2 biljoonaa dollaria, mikä teki siitä maailman neljänneksi arvokkaimman julkisen yhtiön.

Yhteenveto

On käyty kilpajuoksua toimivan kvanttitietokoneen rakentamiseksi, jossa tutkijat keskittyvät kubittien ymmärtämiseen ja eri kubittiteknologioiden kanssa työskentelemiseen. Kubitit ovat kvanttitietokoneen perusta, sillä ne hoitavat kaiken tiedon käsittelyn, siirron ja tallennuksen. Siksi kaikki tutkimus on keskittynyt kubitteihin, mukaan lukien tässä käsitellyt kaksi viimeisintä, joiden tavoitteena on edistää käytännöllisen kvanttitietokoneen rakentamista.

Klikkaa tästä saadaksesi listan viidestä parhaasta kvanttialgoritmeja kehittävästä yrityksestä.