Aalto-yliopiston kvanttifyysikon, professori Mikko Möttösen tutkimusryhmän keksintö voi tulevaisuudessa olla yksi elementti kvanttitietokoneen sisällä.Kuva: Aalto-yliopisto

Kvanttifyysikko, professori Mikko Möttösen vuosi on alkanut harvinaisissa merkeissä. Arvostettu Nature Physics -lehti kertoi äskettäin Möttösen tutkimusryhmän havaitsemista kvanttisolmuista, ja tänään samaisessa aviisissa julkaistiin toinen kvanttifysiikan läpimurto – yhtenä allekirjoittajista jälleen Mikko Möttönen.

– Tämä on aika harvinaista herkkua. En tiedä, tuleeko tällainen uran aikana enää koskaan toistumaan, Möttönen toteaa Uudelle Suomelle.

– Nämä [julkaisut] tulivat sattumalta näin lähekkäin, sillä kyseessä ovat eri asiat ja eri tutkimusryhmät. Vain erityisalamme kvanttifysiikka yhdistää julkaisuja.

Tänään Nature Physicsissä julkaistava suomalaiskeksintö voi Aalto-yliopiston tiedotteen mukaan olla ”jättiharppaus” kvanttitietokoneiden kehittämiselle. Mullistava keksintö on pintapuolisesti jopa arkinen: jäähdytin, jonka avulla kvanttitietokonetta kyetään viilentämään tehokkaammin kuin nykyisin.

Jäähdyttäminen on kuitenkin keskeinen asia nykytietokoneita monimutkaisempiin laskutoimituksiin kykenevien kvanttitietokoneiden rakentamisen ja toiminnan kannalta. Viilentämisen käytännön toteuttaminen sen sijaan on hankalaa, sillä kvanttitietokone on myös hyvin herkkä ulkoisille häiriöille.

– Jos kvanttibittien tilaa sorkitaan laskennan aikana vähänkin, niin se vaikuttaa laskennan lopputulokseen, Möttönen kertoo.

Tämän takia kvanttitietokoneiden ja -laskennan kehittäjät ovat Möttösen mukaan viimeisen 15 vuoden ajan pyrkineet eroon kaikista ylimääräisistä häiriötekijöistä kuten lämmönjohto- tai jäähdytyskanavista.

– Kukaan ei ole uskaltanut lähteä kytkemään sinne varta vasten tällaista [jäähdytin]kanavaa, koska se tuntuu itsemurhalta – siitähän on pyritty pääsemään eroon. Mutta juuri siksi, että se kvanttibitti on eristetty niin hyvin, pienikin lämmitys saa sen kuumaksi. Sen takia sinne täytyisi nyt integroida tällaisia kanavia, joilla voitaisiin imaista se lämpö pois. Sitten voitaisiin kytkeä kanava pois päältä ja alkaa laskea, Möttönen kertoo.

Juuri tähän dilemmaan Aalto-yliopistossa toimivan Möttösen ryhmän innovaatio tuo helpotusta. Ryhmän tiedotteen mukaan tutkijat onnistuivat siirtämään lämpöä ”kvanttirajoittuneesti” eli maksimaalisen tehokkaasti ”kymmenentuhatta kertaa pidemmälle kuin koskaan aikaisemmin”.

Lämpö siirtyi Otaniemen laboratoriossa yhden metrin verran. Aikaisemmin kvanttirajoitteinen lämmönsiirto oli mitattu vain hiuksen paksuutta vastaavalta matkalta.

– Nyt jos puhutaan sähkölaitteista, niin metri on pitkä matka: kännykkä on aika paljon pienempi kuin metri, ja tietokoneen prosessori samoin, Möttönen selventää.

Tämä tarkoittaa sitä, että lämpö saadaan siirrettyä kauas kvanttitietokoneen prosessorista, jolloin häiriö pienentyy.

– Ne ovat niin allergisia ne kvanttibittien rakentajat sille, että eivät halua mitään jäähdytintä sinne lähelle. Nyt se voidaan laittaa kauas, Möttönen sanoo.

– Vielä pitäisi rakentaa se kytkin, jolla kanava saataisiin päälle ja pois. Mutta senkin toteuttamisesta meillä on ajatus.

Möttösen mukaan keksintöä voidaan lähteä suoraan soveltamaan kvanttitietokoneissa, mutta myös muussa kvanttiteknologiassa.

Tällä hetkellä kvanttitietokoneen olemassaolo on tulkintakysymys. Tieteellisestä näkökulmasta varsinaista kvanttitietokonetta ei vielä ole rakennettu, mutta kanadalaisyhtiö D-Wave katsoo sellaisen tehneensä. Pari metriä leveää konetta on jo myytykin teknologiajäteille.

Möttösen mukaan yhtiö ei ole kovin väärässäkään. Hän kuvaa silti yhtiön konetta ”kvanttiratkaisijaksi” kvanttitietokoneen sijasta.

– Alkaa olla sillä rajoilla, onko se [D-Waven kvanttiratkaisija] nopeampi ratkaisemaan jotain ongelmia, kuin vaikka sinun läppärisi. D-Waven kone alkaa olla jo nopeudessa kelpo luokkaa, Möttönen sanoo.

Möttösen mukaan hänen ryhmänsä löydös on osa kvanttitietokoneiden rakentamisen taitekohtaa, johon liittyy myös äskettäin ensimmäistä kertaa mahdollistunut yksinkertainen virheenkorjaus. Jäähdyttimellä kyetään alustamaan kvanttilaskimen muisti, jolloin laskennan lähtökohta on ”puhdas” eli prosessorin lämpötila minimissään, ja pienistä häiriöistä päästään eroon virheenkorjausmenetelmällä.

– Suuren mittakaavan kvanttitietokone näyttää nyt todella mahdolliselta, Möttönen sanoo.

– Mun tunne on, että kyllä se kvanttitietokone tullaan rakentamaan.

Kvantti sitä, kvantti tätä, kubitti eli kvanttibitti tuota. Maallikolle kvanttitietokone ja siihen liittyvät käsitteet ovat jokseenkin hankalia ymmärtää. Mitä kvanttitietokoneilla sitten tullaan tulevaisuudessa tekemään? Mitkä sellaiset suuret kysymykset, jotka ovat liikaa normaaleille tietokoneille, odottavat ensimmäisinä vastausta kvanttitietokoneilta?

– Ensimmäisiä suuria käytännön läpilyöntejä saattaisi ehkä olla kemianteollisuuden prosessien ennustaminen. Nyt me emme pysty mallintamaan kemiallisia reaktioita tarkasti tietokoneella, koska ne ovat niin vaikeita, Möttönen vastaa.

– Kun kemiassa mennään atomitasolle, niin se on juuri kvanttimekaniikka, joka määrää, miten molekyylit asettuvat ja reagoivat. Ja tässä kvanttimekaniikassa normaalitietokoneelta loppuu ruuti. Mutta kvanttitietokoneella – joka käyttää kvanttimekaniikkaa jo itse laskennassaan – voitaisiin tällainen simulaattori ehkä rakentaa ja siten ennustaa kemiallisia reaktioita.

Möttönen sanoo, että kvanttitietokone tavallisen ihmisen kotikäytössä on kaukainen, muttei mahdoton ajatus. Hänen mukaansa tiedeyhteisö tarvitsee nyt teknologiayhtiöitä rakennusavuksi, ja D-Waven vanavedessä aiheesta ovatkin nyt innostuneet myös teknologia-alan suuryritykset.