Kvanttiteknologia on uutta mikroelektroniikkaa

Mikroelektroniikalla tarkoitetaan sirutasolla toimiva pieniä komponentteja tai järjestelmiä. Tyypillinen käytännön esimerkki on tavallisen kannettavan tietokoneen tai matkapuhelimen mikroprosessori, jossa on jopa kymmeniä miljardeja transistoreita integroituna parin neliösentin kokoiseen piipohjaiseen siruun. Mikroelektroniikkaa käytetään yhä enemmän muihinkin pienoiskokoisiin järjestelmiin kuin digitaalisen tiedonkäsittelyn komponentteihin. Yksi esimerkki löytyy aivan matkapuhelimen prosessorin läheisyydestä, nimittäin puhelimen kamerasta, joka käyttää mikroelektroniikkaa kuvantamiseen. Mikroelektroniikkaa tullaan hyödyntämään laajamittaisesti myös kvanttiteknologiassa.

Ensimmäiset 1930- ja 1940-luvuilla kehitetyt digitaaliset tietokoneet olivat huoneen kokoisia laitteita, jotka perustuivat sähkömekaanisiin kytkimiin tai elektroniputkiin. Niillä voitiin suorittaa vain yksinkertaisia tehtäviä ja ne kuluttivat valtavasti energiaa. Suorituskykyisten tietokoneiden rakentamiseen tarvittiin uusi lähestymistapa, ja se löytyikin mikroelektroniikasta. Mekaaniset kytkimet ja elektroniputket korvattiin ensin transistoreilla, minkä jälkeen keksittiin useista transistoreista koostuva integroitu piiri eli mikropiiri. Ensimmäiset mikroprosessorit julkaistiin 60- ja 70-lukujen vaihteessa. Piipohjaisia mikroprosessoreita ja transistoreja on sittemmin kehitetty yhä pidemmälle esimerkiksi kutistamalla transistorien kokoa, mikä tekee niistä nopeampia ja parantaa niiden toiminnallisuutta pinta-alayksikköä kohden piisirulla. Tämän kehityksen ansiosta nykyaikaisten kotikoneiden ja matkapuhelinten prosessoreissa on miljardeja transistoreita, ja niiden laskentakyky on valtava verrattuna ensimmäisiin tietokoneisiin.

Laskentakyvyssä tapahtunut loikka on mahdollista tehdä uudelleen kvanttitietokoneilla - jopa moninkertaisena - erityisesti tiettyjen laskennallisten ongelmien osalta. Kvanttiprosessorin rakentaminen on kuitenkin paljon mutkikkaampaa kuin perinteisen prosessorin tai se on vähintäänkin täysin erilaista. Kvanttitietokoneissa kvanttibiteistä eli kubiteista on muodostettava suhteellisen suuri järjestelmä, joka toimii kvanttimekaanisesti eli koherentisti laskutoimituksen aikana. Kubitit ovat erittäin herkkiä ulkoisille vuorovaikutuksille ja häiriöille, jotka aiheuttavat kvanttiominaisuuden katoamisen eli tuottavat niin sanottua dekoherenssia ja siten laskennallisia virheitä. Lämpökohina on tyypillinen dekoherenssin lähde, joka on yksi syy siihen, miksi kvanttiprosessoreita käytetään usein kryogeenisissa eli äärimmäisen matalissa lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollapistettä (-273 °C).

Vaikka perinteisten tietokoneiden mikropiirit eivät sovi sellaisenaan kvanttilaskentaan, mikroelektroniikasta löytyy tehokkaita työkaluja kvanttitietokoneiden ja -prosessorien rakentamiseen ja niiden suorituskyvyn parantamiseen. Mikroelektroniikkaa hyödynnetäänkin yhä monimutkaisempien ja luotettavampien sirupohjaisten kvanttijärjestelmien tuottamisessa. Nyt on jo onnistuttu tuottamaan pienen mittakaavan kvanttiprosessoreja, joissa on kymmeniä tai satoja kubitteja. Tulevina vuosina täytyy edelleen tehdä tutkimus- ja kehitystyötä, jotta saadaan rakennettua yhä suurempia kvanttitietokoneita, joita voidaan käyttää vaikkapa lääkemolekyylien simuloimiseen.

Metallikappaleen ollessa suprajohtavassa tilassa sähkövirta pystyy kulkemaan sen läpi ilman vastusta. Tämä erikoinen ilmiö havaitaan tietyissä metalleissa matalissa lämpötiloissa materiaalikohtaisen, niin sanotun kriittisen lämpötilan alapuolella. Monet suprajohtavat mikroelektroniikkalaitteet kehitettiin alun perin erityisesti sellaisiin mittaus- ja metrologiasovelluksiin, jotka edellyttävät äärimmäistä tarkkuutta. Näitä teknologioita ja laitteita käytetään edelleen esimerkiksi aivokuvantamisessa, mineraalien etsinnässä ja kosmologiassa. Suprajohtavat virtapiirit mahdollistavat myös erittäin tehokkaan ja nopean klassisen tiedonkäsittelyn. Toisaalta kokonaiset suprajohtavat sähköpiirit voivat käyttäytyä kvanttimekaanisesti, ja tämän takia suprajohtavia piirejä hyödynnetään laajalti kvanttilaskennassa. Kvanttilaskentaa voidaankin nykyään pitää suprajohtavan kryo-mikroelektroniikan veturina; lukuisat kvanttiprosessorien demonstraatiot käyttävät suprajohtavia kubitteja.

Kryogeenisiin kvanttiprosessoreihin on muodostettava yhteys jollain tavalla, jotta kvanttilaskenta saadaan alustettua ja hallittua ja tulokset mitattua. Nykyisin tähän käytetään sähköjohtoja, mutta se ei ole käytännöllinen ratkaisu suuren mittakaavan kvanttiprosessoreissa esimerkiksi siksi, että suuri johtomäärä tuottaa merkittävän lämpövuodon kryogeeniseen kvanttiprosessoriin. Ratkaisu löytyy käyttämällä valokuituja ja valon hiukkasia eli fotoneja samalla tavalla kuin valokuituihin perustuvassa tietoliikenteessä. Tällaista optista liitäntää varten on kuitenkin kehitettävä uusia mikroelektronisia komponentteja kuten esimerkiksi tehokkaita sähköoptisia muuntajia. Vastaavia komponentteja tarvitaan pitkän kantaman kvanttikommunikaatiossa ja -salauksessa. Kun puhutaan sirutason fotoniikasta ja elektroniikasta, olisi hyvä käyttää laajempaa käsitettä kuin mikroelektroniikka, ja sopiva määritelmä olisi mikrojärjestelmä. Tässä tekstissä keskityn pääasiassa sähköisiin komponentteihin, mutta kannattaa huomioida, että fotoniikan mikrojärjestelmät ovat yksi mahdollinen reitti skaalautuvaan kvanttilaskentaan, joka siis tässä tapauksessa hyödyntäisi pääasiassa fotoneja sähkövirran ja elektronien sijasta.

Kvanttiteknologiassa tarvitaan edistyneitä jäädytysmenetelmiä, joilla saavutetaan tarvittavat kryogeeniset toimintalämpötilat. Tähän käytetään tyypillisesti suuren mittakaavan jäähdytysinfrastruktuuria, jossa jäähdyttävä neste muodostetaan heliumin eri isotoopeista. Yksinkertaisempia ja käytännöllisiä menetelmiä etsitään aktiivisesti. Yksi mahdollisuus on käyttää jäähdytykseen sähkövirtaa. Esimerkiksi metallista suprajohteeseen kulkevaa sähkövirtaa voidaan käyttää jäähdytysnesteen tavoin jäähdyttämään kvanttipiirit sisältävä siru. Tulevaisuudessa siis myös kvanttipiirien jäähdytys voisi perustua mikroelektroniikkaan. Jäähdytys voisi myös onnistua fotoneilla, sillä esimerkiksi suuren hyötysuhteen ledit voivat lähettää merkittävän määrän lämpöä fotonien kyydissä.

Kvanttien kokeman ulkoisen vuorovaikutuksen minimoiminen on tärkeää kvanttilaskennan komponenteissa, sillä tuo vuorovaikutus johtaa kvanttiominaisuuden häviämiseen eli dekoherenssiin. Tässä taistelussa dekoherenssia vastaan sähkövirran vastukseton eli häviötön kulku suprajohtavien kvanttiprosessorien johtimissa auttaa, mutta se ei yksistään riitä, vaan prosessorien kvanttipiirien alustoilla tulisi olla äärimmäisen pieni dielektrinen häviö. Eli alustojen - tai niin kutsuttujen substraattien - tulisi kaapata mahdollisimman vähän kubittioperaatioissa hyödynnettävien radiotaajuuksilla värähtelevien sähkökenttien fotoneja. Materiaaleissa ei saa olla oikeastaan juuri mitään virheitä, jotka voivat kaapata kenttien fotoneja. Mitä monimutkaisempi laite, sitä korkeammat ovat materiaalivaatimukset.

Parhaillaan kehitetään mikroelektroniikan materiaaleja, jotka minimoivat häviötä ja mahdollistavat siten kvanttiominaisuuksien säilymisen mahdollisimman pitkään kvanttiprosessoreissa, jotta kvanttilaskenta-algoritmeja voidaan suorittaa luotettavasti. Alumiinipohjaisia suprajohtavia kubitteja on kehitetty jo noin 20 vuoden ajan, ja kehitystyö jatkuu edelleen. Merkittävän kokoisia kvanttiprosessoreita pystytään rakentamaan käyttämällä metallinitridien kaltaisia edistyneitä materiaaleja sekä hallinnoimalla sähkömagneettisia kenttiä hyvällä kvanttipiirien suunnittelulla. Niobi on ollut tärkeä materiaali integroitujen suprajohtavien laitteiden kehityksessä monen vuosikymmenen ajan esimerkiksi siksi, että sen kriittinen lämpötila on suhteellisen ”korkea”, eli kymmenen astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella (-263 °C). Huolimatta alumiinin suhteellisen matalasta kriittisestä lämpötilasta (-272 °C) sitä käytetään silti varsinaisten suprajohtavien kubittien perusosissa niin sanottujen tunneliliitosten ympärillä, sillä alumiinilla saadaan yleensä tuotettua ylivoimainen kubittien suorituskyky. Niobista valmistetuilla suprajohtavilla tunneliliitosmikropiireillä on myös keskeinen rooli kvanttiteknologiassa, koska niitä käytetään äärimmäisen herkissä vahvistimissa, jotka auttavat lukemaan esimerkiksi suprajohtavien kvanttiprosessorien kubittien tilat. Tulevaisuudessa niobia ja muita materiaaleja tullaan todennäköisesti käyttämään yhä enemmän myös suprajohtavien kubittien perusosissa.

Palataanpa yhteen mikroelektroniikan päämateriaaleista eli piihin, joka on erittäin tärkeä materiaali kvanttiprosessorien kannalta. Toisaalta piistä saadaan vähähäviöinen alusta - substraatti - erilaisille kvanttimikrojärjestelmille, mutta pikkiriikkisiä piitransistoreita voidaan itsessään käyttää myös kubitteina. Tällöin ne toimivat siten, että transistorin kanavan elektronien määrää kontrolloidaan yhden elektronin tarkkuudella. Yksittäisten elektronien toiminta-alueelle päästään kryogeenisissa lämpötiloissa.

Valitettavasti viilentämällä matkapuhelimessa oleva perinteinen mikroprosessori ei saada aikaan kvanttiprosessoria; puhelimen siru vain muuttuu passiiviseksi hiekanjyväksi. Matalan lämpötilan lisäksi tarvitaan varsin erilainen transistoriarkkitehtuuri kuin perinteisessä prosessorissa, mutta pii on yksi kvanttilaskennan ”uusista” materiaaleista ja varsin houkutteleva sellainen. Piitransistoreista on jo tehty pienen mittakaavan kubittijärjestelmiä, mutta laajamittainen piipohjainen kvanttilaskenta vaatii vielä merkittäviä tutkimus- ja kehitysponnistuksia.

Materiaalien optimointi ja uusien komponenttien kehittäminen kvanttiteknologian tarpeisiin luo perustaa myös muille tulevaisuuden teknologioille. Kvanttimaailman äärimmäisiin vaatimuksiin kehitettyjä mikrojärjestelmiä voidaan käyttää esimerkiksi erilaisissa antureissa ja miksipä ei myös perinteisessä klassisessa laskennassa. Kvanttiteknologian kasvava suosio on erityisesti muuttanut asenteita kryogeniikkaa kohtaan. Aiemmin erittäin mataliin lämpötiloihin jäähdyttämistä pidettiin epäkäytännöllisenä, ja suuret IT-yhtiöt hylkäsivät helposti kryogeniikkaa edellyttävät ideat. Alan fyysikot kutsuivat tätä ilmiötä osuvasti kryofobiaksi. Fobia on kuitenkin hiipumassa, eikä kryogeenisia laitteita pidetä enää merkittävänä sovellusten esteenä, mikä voi muuttaa pelikenttää. Saattaa olla niin, että tulevaisuuden kryogeniikan ja kryoelektroniikan sovelluksille kvanttiteknologia on vain jäävuoren huippu.

Ehkä tulevaisuudessa meillä on pöydillä tai syleissä kryotekniikkaa hyödyntäviä perinteisiä tietokoneita, jotka viestivät pilvipohjaisten kvanttisuperlaskentaresurssien kanssa. Tämä edellyttäisi kvanttimikrojärjestelmien alan ja sen sisältämän kvanttimikroelektroniikan nousua. Alkuun on jo päästy ja toivottavasti lisää kasvua on tulossa. Muistetaan myös, että kenelläkään ei ole kristallipalloa, ja teknologian tulevaisuutta on edelleen yhtä vaikeaa ennustaa kuin ensi vuoden tarkkaa säätä. Esimerkiksi transistoriksi kutsuttua kytkintä ei keksitty kannettavia tietokoneita ja matkapuhelimia varten, mutta se mahdollisti ne. Tätä kehitystä tuskin osattiin ennustaa 1940-luvulla, kun ensimmäiset transistorit tehtiin. Jäädään siis innolla odottamaan minkälaisia maailmaa mullistavia sovelluksia kvanttimikrojärjestelmät mahdollistavat – tietysti kvanttilaskennan lisäksi.