Miten kvanttitietokone rakennetaan

Microsoft

Professori Leo Kouwenhoven on Microsoftin kvanttityöryhmän tärkeä jäsen, joka johtaa tutkijoista ja insinööreistä koostuvaa työryhmää Microsoft Quantum Labissa Hollannin Delftissä. Kysyimme professori Leolta, miksi kvanttitietokoneen rakentaminen on niin vaikeaa.

Miksi kvanttitietokoneen rakentaminen on niin vaikeaa? Meillä ei ole kaikkia vastauksia tähän kysymykseen. Mutta tiedämme, että atomien ja molekyylien maailmaa hallitsevat säännöt toimivat kvanttitasolla. Meidän maailmassamme, jossa pallot ja omenat putoavat, nämä säännöt ovat klassisen fysiikan mukaisia. Toistaiseksi emme kuitenkaan tiedä, millä tavoin nämä säännöt liittyvät toisiinsa.

Kvanttitietokoneen rakentamisessa tarvitsemme klassisen fysiikan ymmärrystä kvanttijärjestelmän luomiseen ja hallintaan. Eikä se ole helppoa. Käytämme klassisia signaaleja ja objekteja ja yritämme “herättää henkiin” näiden materiaalien kvanttikäyttäytymisen.

Kyse ei kuitenkaan ole kvanttimekaniikasta, kuten atomien ja molekyylien tapauksessa. Täällä käytämme mikrosiruja – ja suunnittelemme ja hallitsemme niitä siten, että näiden sirujen elektronit käyttäytyvät pääasiassa kvanttifysiikan mukaisesti.

Kvantteja taskussa

Voisi luulla, että kvanttitietokone on hyvin pieni, koska käytämme kvanttipiirien rakentamiseen pienempiä partikkeleita. Tämä ei kuitenkaan pidä täysin paikkaansa. Kvanttipiiri on itsessään niin pieni, ettei sitä voi nähdä paljaalla silmällä. Sen jäähdyttämiseen ja hallintaan tarvittava laitteisto on kuitenkin valtava. Ainakin niihin tietokoneisiin verrattuna, joita meillä tänä päivänä on taskussamme.

Miksi piirin jäähdyttämiseen sitten tarvitaan niin isoja laitteistoja? Siksi, koska piirien pääasiallisen toiminnan muuttaminen kvanttifysiikan mukaiseksi edellyttää, että ne on jäähdytettävä lähelle absoluuttista nollapistettä.

Huoneenlämmössä kaikki toimii klassisen fysiikan lakien mukaisesti – kvanttifysiikan mukainen toiminta edellyttää objektien päällekkäisyyttä. Toisin sanoen niiden on oltava samanaikaisesti kahdessa eri positiossa. Usean metrin korkuisilla jääkaapeilla saamme lämpötilan laskettua erittäin matalaksi, mikä saa piirit toimimaan kvanttifysiikan tasolla.

Ne eivät kuitenkaan kulje noin vain mukana taskussa!

Microsoftin lähestymistapa kvanttitietokoneisiin

Microsoftin lähestymistapa kvanttitietokoneisiin on poikkeava. Sitä nimitetään “topologiseksi”. Perinteisesti kvanttipiirin rakentaminen muistuttaa korttitalon kasaamista. Tarkoituksena on rakentaa suuri rakennelma pinoamalla kortteja toistensa päälle, ja pienikin ulkopuolinen häiriö saa korttitalon romahtamaan.

Topologisen piirin ja topologisten kvanttibittien ansiosta se muistuttaa pikemminkin Lego-palikoiden kasaamista. Lego-palikoita voi helposti yhdistää toisiinsa, ja niillä voi luoda valtavia rakennelmia heikentämättä itse rakennetta.

Piirien rakentaminen tavallisilla kvanttibiteillä eroaa suuresti topologisten kvanttibittien käytöstä. Korttitalosta tulee yhä suurempi ja epävakaampi, kun taas Lego-rakennelmista tulee suurempia ja vahvempia.

“Tulevaisuus on kvanttifysiikkaa”

Koska lähestymme kvanttitietokoneita yhteistyön voimin, voimme nopeuttaa tieteellistä oppimista ja viedä laskennan seuraavalle tasolle. Nämä tieteelliset läpimurrot ovat mahdollisia vain yhdistämällä insinöörityötä ja teoriaa.

Kun käytössämme on vakaa topologinen kvanttibitti, voimme skaalata toimintaa nopeasti ja auttaa ratkaisemaan tosielämän ongelmia kvanttilaskennan keinoin. Tämä pätee monien alojen ongelmiin, kuten ilmastonmuutokseen, terveyteen, talouteen ja optimointihaasteisiin, mukaan lukien liikenneruuhkat, robotiikka ja monet muut osa-alueet.

Kun kvanttitietokone yhdistetään Azure-pilviympäristöön, voimme saattaa tämän laskentatehon yhä useampien ulottuville – ja antaa heidän käyttöönsä (ja sinun käyttöösi!) työkalut, joilla voi saada aikaan upeita asioita.

Uskomme, että tulevaisuus on kvanttifysiikkaa – ja Microsoft on sitoutunut tämän vallankumouksen edistämiseen. Toivomme sinunkin osallistuvan siihen.

Rekisteröidy Microsoftin kvanttitietokoneita käsittelevän uutiskirjeen vastaanottajaksi

Liity joukkoomme kehityksen kärjessä

Artikkelit, jotka mahdollisesti kiinnostavat sinua:

Koulutus

STEAM peruskoulussa: Värkkäämöstä eväät elämään

Koulutus

MIE vie maailmalle