Tutkimus

Kvanttivallankumouksessa askel eteenpäin

Optica
Korkeaulotteisten kvanttitilojen manipulointi on yksi suurimmista koetinkivistä tulevaisuuden kvanttiteknologioiden kehittämisessä. Kansainvälinen ryhmä tutkijoita Suomesta, Kanadasta ja Itävallasta on onnistunut todentamaan, että on mahdollista mielivaltaisesti manipuloida korkeaulotteista kvantti-informaatiota, jossa yhdellä tiedonsiirtäjällä on enemmän kuin 2 mahdollista arvoa. Tutkimustulokset julkaistiin äskettäin arvostetussa Optica-tiedelehdessä. Tutkijat toteuttivat kokeellisesti korkeaulotteisia kvanttiportteja, jotka ovat yksi tulevaisuuden kvanttiteknologioiden tärkeimmistä rakennusosista.

Digitaaliseksi vallankumoukseksi kutsuttu teknologinen kehitys viimeisen vuosisadan aikana on jatkuvasti nopeuttanut ja tehostanut tiedonkäsittelyä ja -siirtoa, ja vaikuttanut lähes kaikkiin elämämme osa-alueisiin. Tätä kehityskaarta ovat lasereiden ja transistorien ohella vauhdittaneet lukuisat muutkin kvanttifysiikkaan perustuvat innovaatiot, mutta monet alan asiantuntijoista odottavat kvanttifysiikan mullistavan ennen pitkää myös tavan, jolla käsittelemme ja jaamme tietoa. Tätä meneillään olevaa siirtymää perinteisestä tiedonkäsittelystä kvanttiaikaan kutsutaan usein toiseksi kvanttivallankumoukseksi. Yksi sen suurimmista liikuttajista on tutkijoiden jatkuvasti kehittyvä kyky luoda, manipuloida ja mitata yksittäisiä kvanttijärjestelmiä, joka mahdollistaa tiedonsiirron ja -käsittelyn näiden järjestelmien avulla.   

Kvantti-informatiikassa klassisen tiedon pienimmän yksikön eli perinteisen kaksiarvoisen bitin tilalla on kvanttibitit eli kubitit, joiden prosessointi perustuu kvanttiportteihin.

– Kvanttiteknologian alalla on viime aikoina tehty useita läpimurtoja. Esimerkkinä näistä ovat kvanttiherruuden saavuttaminen eli se, kun kvanttitietokone suoriutui laskentaoperaatiosta ensimmäistä kertaa nopeammin kuin tehokkaimmat klassiset supertietokoneet, ja ensimmäiset kokeilut satelliitteja hyödyntävällä kvanttisalausjärjestelmällä, tutkimusta Tampereen yliopistossa johtanut tenure track -tutkija Robert Fickler kertoo.

Binääristen kubittien lisäksi joillain kvanttitiloilla on enemmän mahdollisia arvoja kuin 0 ja 1.

– Näillä niin kutsutuilla korkeaulotteisilla kvanttitiloilla on muun muassa suurempi tiedonsiirtokapasiteetti, parempi häiriöiden sietokyky sekä viestinnän turvallisuutta edistäviä ominaisuuksia, kertoo Tampereella tutkimusta tehnyt tohtorikoulutettava Markus Hiekkamäki.

Hyötyjä ei voida saavuttaa ilman kvanttiportteja, jotka suorittavat monimutkaisia operaatioita korkeaulotteiselle kvantti-informaatiolle. Binääristen vastineidensa lailla kvanttiportit voivat tulevaisuudessa toimia yhtenä edistyneiden kvanttijärjestelmien tärkeimmistä rakenneosista.  

Tutkijaryhmän saavutus on merkittävä edistysaskel kvantti-informaatioteknologian kehittämisessä. 

– Todensimme kokeellisesti menetelmän, jonka avulla korkeaulotteisia kvanttitiloja voidaan manipuloida mielivaltaisesti. Menetelmää voi esimerkiksi hyödyntää moniulotteisissa kvanttiporteissa, kertoo tutkimusartikkelin ensimmäinen kirjoittaja Florian Brandt

Tutkijat hyödynsivät fotonien eli valokvanttien avaruudellista rakennetta kvantti-informaation kantamiseen. Täten he pystyivät manipuloimaan fotonien kantamaa tietoa muokkaamalla fotonien rakennetta tietokoneella luotujen hologrammien avulla, ja saivat aikaan laadukkaita kvanttitilan muunnoksia tekemättä kompromissia järjestelmän joustavuudessa ja laajassa soveltuvuudessa.   

– Toivomme tulosten luovan uusia väyliä optisen kvanttiviestintäteknologian ja kvanttilaskennan kehittämiseen, Robert Fickler sanoo.

Linkki julkaisuun: https://www.osapublishing.org/optica/upcomingissue.cfm

Lisätiedot: tenure track -tutkija Robert Fickler, Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta, puh. 050 4478492, robert.fickler [at] tuni.fi

Kuva: Fotonien eli valokvanttien kantamaa kvantti-informaatiota voidaan muokata manipuloimalla valon avaruudellista rakennetta. Tässä kuvassa kyseinen manipulaatio on tehty näkyväksi laservalolla. Markus Hiekkamäki / Robert Fickler