Kvanttitietokoneen kubitti voi harhautua myös muuksi kuin nollaksi tai ykköseksi. Aalto-yliopiston tutkimushankkeessa kehitetään professori Mikko Möttösen johdolla nykyistä tarkempia kubitteja. – Sitä voi operoida nopeammin ilman, että se harhautuu nollasta ja ykkösestä väärille tasoille, kuten kakkoseksi tai kolmoseksi, Möttönen kertoo.
Möttösen vetämä ConceptQ-tutkimushanke sai juuri EU:lta 2,5 miljoonan euron ERC-rahoituksen. Kyseessä on jo viides Möttösen vetämälle hankkeelle myönnetty ERC-rahoitus. Uudessa hankkeessa Möttösen vetämä tiimi kehittää uutta 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, Möttönen selventää.
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. - Juuri voimakkaamman epälineaarisuuden vuoksi uutta kubittia voi operoida nopeammin ilman, että se harhautuu nollasta ja ykkösestä väärille tasoille, kuten kakkoseksi tai kolmoseksi, Möttönen kertoo.
Operaatio on 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 salaisuus.
Periaatteessa kubitilla on ääretön määrä tiloja, ja myös tilat kaksi ja kolme voivat olla superpositiossa. Kahden tilan kubitin lisäksi kvanttimaailmassa tunnetaan myös kutritti, jolla on kolme tilaa ja siksi enemmän informaatiota kuin kubitissa.
- Mutta ei tietokoneen bitissäkään ole kolmea tilaa. Kubitti on yksinkertaisin ja varmin. Kolmas tila hajoaa ensimmäiseksi matalassa lämpötilassa, ja kaksi hajoaa ykköseksi nopeammin kuin yksi nollaksi. Myös superpositio nollan ja kahden välillä sotkeutuu nopeammin kuin nollan ja yhden. Näitä ylimääräisiä tiloja ei yleensä käytetä laskentaan, Möttönen kertoo.
Hankkeessa kehitetään myös matalassa lämpötilassa toimivaa elektroniikkaa, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi kvanttitietokoneissa. Möttönen kehittää tiimeineen myös kvanttialgoritmia, joiden avulla kvanttitietokoneiden laskentateho saadaan mahdollisimman hyvin hyödynnettyä. Vielä kvanttitietokoneiden teho ei yllä supertietokoneiden tasolle.
Hankkeella voi olla pitkällä aikavälillä monia sovellusalueita muun muassa kvanttisensoreissa ja simulaattoreissa sekä kvanttitermodynamiikassa, tietoturvassa ja tekoälysovelluksissa.
