Aalto-yliopiston ja VTT:n professori Mikko Möttönen on saanut kubittien kehittämiseen Euroopan tutkimusneuvostolta 2,5 miljoonan euron ERC Advanced Grant -rahoituksen.  Tehokkaampien kubittien lisäksi hankkeessa kehitetään matalissa lämpötiloissa toimivaa elektroniikkaa.

Uudessa hankkeessa Möttösen vetämä tiimi kehittää CinceptQ-hankkeessa kubittia, jonka avulla saadaan aikaan aiempaa tarkempia kvanttioperaatioita, esimerkiksi laskentaa kvanttitietokoneissa. Lisäksi hankkeessa kehitetään millikelvinin lämpötilassa eli äärimmäisen lähellä absoluuttista nollapistettä toimivaa elektroniikkaa.

”Uusi kubitimme ei vaadi valmistusprosessin muutosta. Tässä hankkeessa piirretään siis uusi prosessori, mutta tutuista materiaaleista. Uuden kubitin rakenne on myös hyvin yksinkertainen. Yksinkertaisempi yleensä toimii varmemmin. Rakenteessa ei ole saarekkeita, jonne elektronit voisivat jäädä loukkuun, eikä kubitti reagoi herkästi esimerkiksi sähkökentän häiriöihin”, kvanttitutkimuksen professori Mikko Möttönen sanoo.

Tärkein syy siihen, että uusi kubitti voi olla parempi tai nopeampi kuin nykyisin kvanttitietokoneissa yleisesti käytössä oleva transmon-kubitti, on kuitenkin aiempaa epäsäännöllisempi sähkön edestakainen liike eli epälineaarisuus. ”Uutta kubittia voi operoida nopeammin ilman, että se harhautuu nollasta ja ykkösestä väärille tasoille, kuten kakkoseksi tai kolmoseksi”, Möttönen kertoo.

”Juuri voimakkaamman epälineaarisuuden vuoksi uutta kubittia voi operoida nopeammin ilman, että se harhautuu nollasta ja ykkösestä väärille tasoille”, kertoo Aalto-yliopiston professori Mikko Möttönen kertoo.

Operaatio on hänen mukaansa tarkempi , koska sen aikana ei ehdi tulla niin paljon virheitä kuin normaalisti. Nykyinen transmon-kubitti lipsahtaa melko herkästi vääriin tiloihin, jos sitä yrittää operoida liian nopeasti. Laskenta menee siis pieleen ja lopputulos on todennäköisesti väärä.

Toisin kuin perinteisen tietokoneen bitti, joka voi saada arvokseen vain nollan tai ykkösen, kvanttitietokoneen kubitti voi saada molemmat arvot yhtä aikaa. Tätä kutsutaan superpositioksi, ja se on kvanttitietokoneiden suuren laskentapotentiaalin perusta. Hankkeessa kehitetään myös matalassa lämpötilassa toimivaa elektroniikkaa, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi kvanttitietokoneissa.

”Elektroniikka integroidaan lähelle kubittia, jolloin tehon kulutus pienenee merkittävästi. Tulevaisuudessa kvanttiprosessorit ovat yhä suurempia, ja meidän kehittämämme elektroniikan ansiosta jokaiselle kubitille ei tarvitsisi vetää omaa ohjauskaapelia”, professori Möttönen sanoo.

Möttönen kehittää tiimeineen myös kvanttialgoritmia, joiden avulla kvanttitietokoneiden laskentateho saadaan mahdollisimman hyvin hyödynnettyä. Vielä nyt kvanttitietokoneiden teho ei yllä supertietokoneiden tasolle.

Hankkeella voi olla myös pitkällä aikavälillä muitakin sovellusalueita muun muassa kvanttisensoreissa ja simulaattoreissa sekä kvanttitermodynamiikassa, tietoturvassa ja tekoälysovelluksissa.

Taustaa: Möttösen Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmä on osa Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikköä (QTF) ja kansallista kvantti-instituuttia (InstituteQ). Kokeissa hyödynnetään kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria. Euroopan tutkimusneuvosto ERC myöntää rahoitusta huippututkijoille korkeatasoiseen ja uraauurtavaan tutkimukseen. Suomeen on tähän mennessä myönnetty ERC Advanced -rahoitusta yhteensä 58 hankkeelle.

Aloituskuva: Vasemmalta suomalaisen kvanttilaskentaa kehittävät tohtorikoulutettava Arto Viitanen ja hiljattain Quanscient-yrityksen perustanut Valtteri Lahtinen Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmästä. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto.