Tutkijat kehittivät uuden mittaustavan, joka mahdollistaa kvanttitietokoneiden entistä suuremmat kubittimäärät

Jotta lähitulevaisuuden kvanttitietokoneista saadaan aiempaa tehokkaampia, niihin tarvitaan yhä tarkempia ja suurempia määriä kubitteja. Tämä puolestaan vaatii jatkuvasti uusia teknologisia läpimurtoja. 

Yksi suurimpia haasteita kvanttitietokoneiden kubittimäärien kasvattamisessa liittyy kubittien sisältämän tiedon lukemiseen tarkasti ja nopeasti. Perinteisesti näihin mittauksiin on käytetty parametrivahvistimiksi kutsuttuja laitteita. Kuten nimestä voi päätellä, laite joutuu vahvistamaan kubittien lähettämiä erittäin heikkoja jännitesignaaleja, jotta se saa lukeman aikaiseksi. Tämä puolestaan aiheuttaa tietoa alleen peittävää kvanttimelua eli kohinaa, ja voi myös johtaa kubittien dekoherenssiin, ellei niitä suojata suurilla lisäosilla.

Vielä hankalammaksi asian tekee se, että vahvistimen käyttäminen vie tilaa, joka kubittimäärien kasvaessa loppuu kesken tarvittavissa äärimmäisen alhaisen lämpötilan superpakastimissa.

Aalto-yliopiston Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmä (QCD) on jo aiemmin onnistunut rakentamaan maailman tarkimman lämmitysilmiöön perustuvan lämpösäteilyn mittarin, eli bolometrin. Tuoreessa Nature Electronics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan he puolestaan osoittivat, että bolometrilla voidaan mitata kubitin tilaa siten että yksittäisellä kertalukemallakin saadaan riittävän tarkka mittaustulos.

Jopa miljoonat kubitit mahdollisia

Fyysikoiden suureksi harmiksi Heisenbergin epätarkkuusperiaate määrää, ettei hiukkasen paikkaa ja vauhtia, tai signaalin jännitettä ja virtaa, voida samanaikaisesti tarkasti määrittää. Tämä on pätenyt myös kubittien mittaamiseen jännite-virta-vahvistimilla. Sen sijaan bolometreilla tehtävä lämpösäteilyn havainnointi on hyvin erilainen mittaustapa, joka on myös keino kiertää Heisenbergin epätarkkuusperiaate.

Toisin kuin vahvistimet, bolometri lukee säteilyä sen perusteella, miten säteilyn lämpöenergia vaikuttaa siihen. Bolometri on myös kooltaan noin sata kertaa pienempi kuin mittauksiin käytettävät vahvistimet, joten se on mittauslaitteena erinomainen vaihtoehto.

“Kvanttitietokoneiden yhä kehittyessä on helppo kuvitella niiden kubittimäärien kasvavan tuhansiin tai jopa miljooniin. Niinpä jokaisen komponentin huolellinen arviointi on tarpeen, jotta määrää on mahdollista kasvattaa näin massiivisesti. Osoitimme juuri Nature Electronics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessamme, että kehittämämme nanobolometrit ovat varteenotettava vaihtoehto perinteisille vahvistimille. Aivan ensimmäisissä kokeissa havaitsimme, että bolometrimme antavat riittävän tarkkoja kertalukemia, niissä ei ole kvanttikohinaa, ja ne kuluttavat 10 000 kertaa vähemmän energiaa vahvistimiin verrattuna. Ja tämä kaikki pikkuruisessa bolometrissa, jonka lämpösäteilyyn reagoiva osa mahtuisi yhden bakteerin sisään”, sanoo QCD-tutkimusryhmää johtava professori Mikko Möttönen.

Kubitin mittaaminen kertalukemana on fyysikoille keskeinen keino selvittää, kuinka tarkasti laite havaitsee kubitin tiedon yhdellä mittauksella verrattuna useiden mittausten keskiarvoon. Tutkimusryhmä saavutti kokeissaan 61,8 prosentin tarkkuuden, kun lukemisen kesto oli 14 mikrosekuntia. Kun kubitin energian relaksaatioajasta koituva virhe poistettiin, lukeman tarkkuus nousi jo 92,7 prosenttiin.

“Uskomme, että vain pienillä muutoksilla bolometrit saavuttavat halutun 99,9 prosentin tarkkuuden 200 nanosekunnin mittausnopeudella. Voimme esimerkiksi korvata bolometrin materiaalin metallista grafeeniin, jonka lämpökapasiteetti on pieni, ja se pystyy havaitsemaan heikostakin signaalista hyvin pienet energiamuutokset nopeasti. Ja poistamalla tarpeettomia osia bolometrin ja piirin väliltä emme vain paranna lukutarkkuutta, vaan saamme myös aikaan pienemmän ja yksinkertaisemman mittalaitteen. Näin kubittien määrää on mahdollista kasvattaa”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija András Gunyhó QCD-ryhmästä.

Ennen tuoreinta, kubittien tilan lukemista käsittelevää artikkeliaan tutkimusryhmä osoitti vuonna 2019 julkaistussa tutkimuksessaan ensimmäistä kertaa, että bolometreja voidaan käyttää äärimmäisen herkkiin, reaaliaikaisiin säteilymittauksiin. Vuonna 2020 Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan he puolestaan osoittivat, että grafeenin käyttäminen bolometreissa lyhensi mittausnopeuden selvästi alle mikrosekunnin.

Tutkimus tehtiin osana Suomen Akatemian kvanttiteknologian QTF-huippuyksikköä OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria hyödyntäen ja yhteistyössä VTT:n ja IQM Quantum Computersin kanssa. Sitä ovat rahoittaneet Euroopan tutkimusneuvosto (ConceptQ Advanced Grant), Jane ja Aatos Erkon säätiö sekä Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön Future Makers -ohjelma.

Artikkeli: András M. Gunyhó, Suman Kundu, Jian Ma, Wei Liu, Sakari Niemelä, Giacomo Catto, Vasilii Vadimov, Visa Vesterinen, Priyank Singh, Qiming Chen, Mikko Möttönen, Single-Shot Readout of a Superconducting Qubit Using a Thermal Detector, Nature Electronics, https://doi.org/10.1038/s41928-024-01147-7 (2024).