Fotonit auttavat ymmärtämään kvanttitietokoneille vahingollista melua
Materiaalien kehitys, lääkeaineiden mallintaminen ja logistiikan optimointi ovat esimerkkejä laskentatehoa vaativista prosesseista, ja niin sanotut kvanttitietokoneet tarjoavat sitä huomattavasti tavanomaisia tietokoneita enemmän.
Mihin kvanttitietokoneiden suuri laskentateho sitten perustuu? Siinä missä klassinen tiedonvälittäjä voi kantaa arvoa 0 tai 1, voi tämän kvanttivastine eli ”kubitti” olla 0 ja 1 eri painotuksin. Kvanttitietokoneet päihittävät jopa tehokkaimmat supertietokoneet, sillä kyseinen ilmiö mahdollistaa usean laskutoimituksen suorittamisen samanaikaisesti.
Kaupallisiin kvanttitietokoneisiin on kuitenkin vielä hieman matkaa. Eräs suurimmista haasteista kvanttitietokoneiden rakentamisessa on melu. Kun kubitit vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa, ne menettävät ”kvanttiutensa” ja muuttuvat tavallisiksi biteiksi.
Fotonit eli valohiukkaset auttavat mallintamaan tätä kvanttitietokoneiden kokemaa melua. Fotonin värähtelysuunta ja -taajuus ovat nimittäin esimerkkejä kubitista ja tämän ympäristöstä. Näiden välinen vuorovaikutus voidaan taas toteuttaa erityislaatuisissa kristalleissa.
Vaikka kyse on tarkalleen ottaen fotonin sisäisistä vuorovaikutuksista eikä aidosta ulkoisesta melusta, avaa malli uusia näkökulmia melun hallintaan. Fotonin ominaisuuksia kontrolloimalla voidaan esimerkiksi hidastaa informaation katoamista ympäristöön tai jopa määrittää ajanhetkiä, jolloin informaatiota palaakin ympäristöstä takaisin kubittiin.
Mallista saadaan realistisempi kasvattamalla kubitin ympäristöä. Tämä onnistuu esimerkiksi ”jakamalla” fotoni useammalle eri polulle ja lukemalla kyseiset polut ympäristöön.
Sen lisäksi, että muokattu malli valottaa taas hieman paremmin melun vaikutuksia, mahdollistaa se täysin uusia, nimenomaan meluun perustuvia mittausmetodeja. Esimerkiksi kahden fotonin jaettuja ominaisuuksia voidaan tämän mallin avulla arvioida ilman perinteistä vaatimusta, että fotonien vastaanottajien olisi kommunikoitava keskenään.
Fotoniset melumallit eivät siis pelkästään työnnä kvanttilaskentaa eteenpäin. Ne haastavat perinteisiä käsityksiämme siitä, mitä voi mitata, millä oletuksin, ja voisiko melua jopa hyödyntää.
Olli Siltanen
Kirjoittaja on teoreettisen fysiikan tohtorikoulutettava, joka tutkii väitöskirjassaan melun vaikutuksia ja hallintaa fotonisissa systeemeissä.