Miten kvanttitietokone rakennetaan

Microsoft

Microsoft

Lukuaika, 3 min.

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.

Sign up now for the quantum computing newsletter from Microsoft

Join us at the leading edge of opportunity

Lue lisää aiheeseen liittyviä artikkeleita toimialakohtaista:

Koulutus

  • STEM peruskoulussa: Värkkäämöstä eväät elämään

    STEM peruskoulussa: Värkkäämöstä eväät elämään

    Tulisiko peruskoulun olla paikka, jossa oppilaiden edellytetään sopeutuvan koulua varten? Vai onko koulu sittenkin olemassa oppilaitaan varten? Kuvittele koulu, jossa oppilaille pyritään takaamaan tulevaisuus, jossa he pärjäävät, jopa menestyvät vuonna 2055. Paikka, jossa ei päivitellä oppilaiden vilkkautta tai keskittymiskyvyn puutetta, eikä heitä pakoteta sopeutumaan perinteiseen opetusmalliin. Oulun Yli-Iin peruskoulussa vaihdettiin tietokeskeisyys oppilaskeskeisyydeksi. Lähtökohdaksi otettiin tavoite, […]

  • Oppilaitosten Microsoft Office -etu

    Oppilaitosten Microsoft Office -etu

    Microsoft Office maksutta opiskelijoiden ja henkilökunnan omille koneille   Tiesitkö, että valtaosa suomalaisista opiskelijoista, opettajista ja oppilaitosten työntekijöistä voi asentaa Microsoft Office -paketin maksutta omalle tietokoneelleen? Officen asentaminen tapahtuu oppilaitoksesi Office 365 -palvelun kautta, ja asennuksen voit tehdä jopa viidelle omalle kotikoneellesi sekä viidelle puhelimellesi tai tabletillesi. Office -ohjelmistopakettiin sisältyy Word, Excel, PowerPoint, OneNote ja […]

Teollisuus

  • henkilö, jolla on kypärä

    Valmistavalle teollisuudelle kasvua vastuullisuusratkaisuista

    Suomessa ja muualla Euroopassa ollaan entistä tietoisempia omien valintojen vaikutuksista ympäristöön. Kuluttajat myös kiinnittävät yhä enemmän huomiota yritysten kestävään toimintaan ja tuotantoketjuihin tuotteita valitessaan. Mitä vastuullisuus vaatii valmistavan teollisuuden yrityksiltä? Entä miten digitalisaatio auttaa vastuullisuuden edistämisessä? Kestävä kehitys on noussut keskeiseksi puheenaiheeksi myös valmistavassa teollisuudessa. Ekologisuus tuo liiketoiminnalle mahdollisuuksia mutta myös vaatimuksia niin lainsäädännöstä, asiakkailta, sijoittajilta kuin myös työntekijöiltä.    Suomessa valmistavan teollisuuden kestävää kehitystä ohjaavat esimerkiksi hallituksen hiilineutraaliustavoitteet, joita useat suomalaiset toimijat ovat täydentäneet omilla tavoitteillaan ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Konkreettisia kestävän kehityksen toimenpiteitä ovat […]

Lue lisää aiheeseen liittyviä artikkeleita asiakirja-aineistoa kohden:

Digitalisaatio

  • Ei innovaatioita ilman empatiaa 

    Ei innovaatioita ilman empatiaa 

    Innovointia tukeva ilmapiiri ei synny sormia napsauttamalla. Osallistuin aikoinaan työpajaan, jossa tehtävänä oli ilman minkäänlaisia rajoitteita keksiä keinoja tuplata yrityksen liikevaihto, vain mielikuvitus rajana. Päivän päätteeksi huomasin melko järkyttyneenä, että vain yksi kahdeksastatoista osallistujasta pystyi innovoimaan eli keksimään jotain aivan uutta, ajattelemaan villisti ja miettimään mahdollisuuksia niiden tyypillisten ratkaisujen ulkopuolelta. Tämä herätti minut ajattelemaan, mitä innovointi vaatii ihmisiltä, johtajilta ja ilmapiiriltä.   Innovointiin liittyy helposti tuntemattoman pelkoa ja epämukavuuden […]

Vinkit

  • MIE vie maailmalle

    MIE vie maailmalle

    Suomalainen voitti hopeaa kansainvälisissä opettajatapaamisessa Singaporessa! Etkö heti muista nähneesi otsikoita? Kyseessä on Microsoftin E2 | Education Exchange 2018 -tapahtuma MIE-verkoston jäsenille, joka pidettiin tänä vuonna Singaporessa. MIE on lyhenne sanoista Microsoft Innovative Educator. Jokaisen maan edistyksellisimmät opettajat pääsevät mukaan tapahtumaan, jossa sekä opitaan lisää, kisataan että verkostoidutaan. Tapahtumasta kertoo paljon se, että thaimaalaiset opettajat […]