Keskiviikko 18.10.2017

Kvanttitietokoneet: ”Mielipuolinen tulos” johti suomalaisryhmän jäljille – keksintö voi auttaa mahdottomien ongelmien ratkomisessa

Jaa artikkeli:
Luotu: 
8.5.2017 12:51
Päivitetty: 
8.5.2017 12:56
  • Kuva: Aalto-yliopisto
    Kuva
    Valokuva senttimetrin kokoisesta piisirusta, jossa on rinnakkain kaksi suprajohtavaa värähtelijää ja niihin kytketyt kvanttipiirijäähdyttimet.
  • Kuva: Aalto-yliopisto
    Kuva
    Tutkimusryhmän jäsenet Matti Partanen (vas.) ja Kuan Yen Tan (oik.) avaamassa kryostaattia, eli superpakastinta, jolla kvanttilaitteen ja kvanttipiirijäähdyttimen sisältävä piisiru jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä.
|

Aalto-yliopiston tutkijaryhmä uskoo jälleen ottaneensa yhden merkittävän askeleen kohti tulevaisuuden ongelmanratkaisijan, kvanttitietokoneen, toteutumista. Mikko Möttösen johtama tutkimusryhmä kertoo keksineensä keinon jäähdyttää kubitteja eli kvanttibittejä, joihin kvanttitietokoneen toiminta perustuu.

Kvanttitietokone kuumenee kuten mikä tahansa sähkölaite. Mikäli laskutoimituksia suorittavat kubitit ovat liian kuumia, niiden nollaaminen ei onnistu, ja tämä johtaa virheisiin. Möttösen ryhmä on etsinyt ratkaisua jäähdyttää herkkää laitteistoa virheiden poistamiseksi. Nyt sellainen on löydetty, joskaan ryhmä ei tutkimuksessaan jäähdyttänyt kubittia vaan kubitin kaltaista ”värähtelijää”.

– Muistin ja kvanttibittien alustus on yksi sellainen peruskriteeri, joka pitää täyttää – eikä riitä, että ne saadaan alustettua suurin piirtein, vaan se pitää tapahtua hyvin tarkasti. Me olemme kehittäneet maailman ensimmäisen erillisen komponentin, joka kykenee suoraan jäähdyttämään kvanttisähköisiä laitteita kuten kvanttibittiä, Möttönen kertoo Uudelle Suomelle.

Kubitti eli kvanttibitti on kanttiinsa noin 0,1:n millimetrin kokoinen levy, jossa liikkuu sähköä. Siinä missä tavallisen tietokoneen bitit ovat nollia tai ykkösiä, kubitti voi olla samanaikaisesti molemmissa tiloissa. Tämä muuntautumiskyky on monimutkaisten laskujen edellytys, mutta se tekee kubiteista myös herkkiä ulkoisille häiriöille.

Möttösen ryhmässä tutkijatohtorina työskentelevä Kuan Yen Tan on viiden vuoden työn tuloksena saanut toimimaan menetelmän, joka ryhmän mukaan voi helpottaa ja nopeuttaa kubittien jäähdyttämistä. Tan jäähdytti ”kubitin kaltaista värähtelijää” imaisemalla kvanttilaitteen lämpöenergian yksittäisten elektronien tunneloitumisprosessiin.

Elektroni, jolle annetaan ulkoisella jännitelähteellä hieman liian vähän energiaa, kaappaa tunneloitumiseen tarvitsemansa lisäenergian läheiseltä kvanttilaitteelta ja siksi laite viilenee.

Möttönen kertoo, että keksinnön alkuun päästiin osin vahinkona, kun Tanin oli määrä mitata lämmön siirtymistä värähtelijän läpi vastuksesta toiseen ja hän sai odottamattomia, ”mielipuolisia” tuloksia. Ne osoittivat, että yksi vastus yllättäen jäähtyi, vaikka toista lämmitettiin.

– Tämä on paljon hienompi keksintö kuin se alkuperäinen koe olisi ollut.

Möttösen mukaan kvanttibittejä on aiemminkin pystytty alustamaan, mutta niille on jouduttu tekemään erilaisia ”eriskummallisia” temppuja tämän saavuttamiseksi. Ryhmän jäähdytysmenetelmän pitäisi toimia lähes riippumatta siitä, millainen kvanttilaite ja -bitti on kyseessä.

Keksintö on jatkoa ryhmän aiemmalle lämmönsiirtotutkimukselle, sillä nyt käytetty jännitemenetelmä toimii on-off-kytkimenä, jonka tarpeesta Möttönen aiemman tutkimuksen yhteydessä puhui. Lue lisää: Kvanttitietokone otti ”jättiharppauksen” Suomessa? – Otaniemessä tapahtui metrin mullistus

Ryhmä toivoo, että keksintö auttaa kvanttitietokoneen rakentamisessa. Varsinaista kvanttitietokonetta ei toistaiseksi ole rakennettu, vaikka siihen nykyisin pyrkivät niin yliopistot ympäri maailman kuin myös kaupalliset toimijat kuten Google. Tutkijat tekevät työtänsä osin tyhjän päällä, sillä Möttösen mukaan täyttä varmuutta ei toistaiseksi voi olla siitä, tuleeko kvanttitietokone lopulta saavuttamaan sille asetetut toiveet.

– Totuushan on se, että sen pitää olla tehty ennen kuin me edes tiedämme, että se todella toimii. Kyllähän joku laite voi toimia paperilla, mutta viimeinen näyttö on sen rakentaminen. Kuitenkin jo tehdyt muutaman kvanttibitin koneet näyttävät toimivan juuri niin kuin on ajateltukin.

Möttönen lisää silti pitävänsä todennäköisempänä kvanttitietokoneen rakentamista kuin sitä, että tässä ei onnistuttaisi. Hän uskoo, että ensimmäisen suuren kvanttitietokoneen tulee rakentamaan jokin kaupallinen yritys, joilla on mahdollisuuksia panostaa isot rahat tekniseen toteutukseen.

Suurkokoinen kvanttitietokone ei ainakaan alkuun tulisi varsinaisesti kilpailemaan tavallisten tietokoneiden kanssa yleiskoneen roolista vaan siitä on tulossa lähinnä rinnakkainen järjestelmä, joka kykenee ratkaisemaan tiettyjä tavallisen tietokoneen ulottumattomissa olevia ongelmia, kuten laskutoimituksia, joissa normikoneen ”ruuti loppuu kesken”. Möttönen kertoo, että tämä voi tarkoittaa vaikkapa kemiallisten yhdisteiden syntetisoinnin mallintamista.

- Se on vaikea ongelma, koska siellä kvanttimekaniikka tuppaa tulemaan peliin mukaan. Klassisella koneella kvanttimekaniikan mallintaminen on hankalaa, mutta kvanttikoneessa on itsessään kvanttidynamiikka sisällä, Möttönen kertoo.

Toisin sanoen kvanttitietokone tulee toteutuessaan ratkaisemaan ongelmia, joihin ihmiskunta ei toistaiseksi ole kyennyt löytämään ratkaisua.

- Tällä hetkellä tiedetään tiettyjä laskennallisia ongelmia, joissa kvanttitietokone voisi olla voittamaton. Mutta vielä ei tunneta sellaista yleiskäyttöistä tapaa käyttää sitä, että se olisi aina kaikessa ylivertainen.

Tutkimusryhmän kehittämästä menetelmästä kerrotaan tiedelehti Nature Communicationsissa ja Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Henkilöt: 
Jaa artikkeli:

Kommentit

Tuomas Sikander

Käsittääkseni jo nyt olisi mahdollista korvata esim. tuomarit tehokkailla tietokoneilla mutta jostain kumman syystä näin ei haluta tehdä.
Samalla päästäisiin eroon suuresta joukosta kohtuutonta palkkaa nauttivaa korruptiivista loiselämää.
Supertietokone olisi lahjomaton tuomari nykyiseen hyvään veljeen verrattuna, vain jossain mahdollisessa valitusasteessa voisi muutaman ihmisen avoimien pankkitietojen vaatimuksella säilyttää.
._.

Markku Nieminen

Erinomainen ehdotus! Kannatan.
Myös valtiovarainministerin voisi tietokone korvata menestyksekkäästi. Se laskisi sekunneissa kaikesta netistä löytämästään asiaan vaikuttavista tekijöistä optimaalisen ratkaisumallin. Samalla se eliminoisi virkamiesten omaa suojatyöpaikaan tukevat tarkoitushakuiset selvitykset ja lehmänkaupat!

Matti Auer

Tuskin on sukua peltier-ilmiölle, sillä kubittien käyttölämpötila on sen verran kylmää, että peltier-efektin teho olisi lähes 0%, jos ei käytettäisi yhden ydinvoimalan verran sähköä.

Prosessorien jäähdytykseen huoneenlämpöön kaupoissa myytävät halvat peltier-elementit ovat yllättävän tehokkaita. Niputetaan prosessori + peltier (80W) + jäähdytin ja väliin ei tarvitse edes piitahnaa. Näin prosessori saadaan jäähtymään alle -20 asteeseen muutamalla eurolla.