Tulipas jälleen meuhkattua Ylen Aamussa tiedeasioista! Huomasin männäviikolla, että Microsoftin tutkijat olivat kehitelleet kvanttitietokoneeseen topologista kubittia. Omissa matematiikan opinnoissani aikoinaan tykkäsin eniten juuri topologiasta, joka on eräänlainen muodon pysyvyyden oppi. Niin rupesi heti kiinnostamaan, että mikäs se sellainen topologinen kubitti oikein on? Sini Merikallion ja Jukka Häkkisen kanssa pohdiskelimme lisäksi jään lukuisia olomuotoja sekä uudenvuodenlupausten heiveröisyyttä.
Täältä voit katsoa jakson: linkki Areenaan.
Topologisen qubitin eduksi odotetaan perinteistä qubittia suurempaa vakautta. Aihe on mutkikas, mutta haasteethan on tehty tartuttaviksi!
- Mikä on kubitti ja miksi sen vakaus on tärkeää? Tavallisen tietokoneen bitti on joko nolla tai yksi. Kvanttimaailmassa on mahdollista muodostaa kvanttibitti eli qubitti, joka on samaan aikaan sekä nolla että yksi. Niitä kun laitetaan useita vierekkäin, kvanttitietokone käsittelee yhtä aikaa tähtitieteellisen monia vaihtoehtoja. Näin se ratkaisee laskentapulmia, joihin tavalliselta tietokoneelta menisi maailmankaikkeuden ikä. Mutta kvanttiasioita on vaikea hallita, ja kubitit häiriintyvät helposti ja pilaavat laskun.
- Millainen on topologinen kubitti? Qubitteja on kokeiltu rakentaa monin tavoin, esimerkiksi elektroneista, valohiukkasista eli fotoneista, atomiytimistä tai suprajohtuvista sähkövirroista. Topologinen kubitti tehdään kuin juustovoileipä, jossa kahden puolijohdelevyn väliin jää ohut, käytännössä kaksiulotteinen kvanttijuusto. Siellä asustaa aineen erikoinen olomuoto, anionit.
- Mitä erityistä on anioneissa? Kolmiulotteisessa maailmassa on vain kahdenlaisia hituja: fermioneja (kuten sähköiset elektronit) ja bosoneita (kuten valoisat fotonit). Fermionit ovat siitä kummallisia, että jos ne vaihtavat paikkaa, ne näyttävät erilaisilta. Mutta kaksi paikanvaihtoa palauttaa tilanteen ennalleen. Vähän kuin jos kiertäisit fermioniauton ympäri, se näyttääkin höyryveturilta. Mutta kun kierrät toisenkin kierroksen, se on taas auton näköinen. Anionit ovat vielä oudompia: ne jättävät pysyvän jäljen liikkumisestaan.
- Havaintoesitys anioneista. Ajattele karttaa ja omaa olinpaikkaasi siinä. rakennetaan Einsteinin hengessä aika-avaruus nostamalla karttaa pöydästä ylöspäin. Nyt aika on yhtä kuin korkeus pöydän pinnasta. Jos pysyt paikallasi, kolmiulotteiseen aika-avaruuteen muodostuu sijainnistasi pystysuora polku. Jos taas kierrät auton ympäri, polkusi on kuin korkkiruuvi: muodostaa spiraalin ja palaa lopuksi suoraan alkupisteen yläpuolelle. Anionien tapauksessa nuo spiraalipolut jäävät kvanttimekaanisen aaltofunktion muistiin. Myötäpäivään kiertäminen on topologisesti eri asia kuin vastapäivään kiertäminen, ja siksi ne eivät herkästi sekoitu keskenään. Tätä on topologisen kubitin vakaus.
- Bonus: topologinen palmikkoteoria. Matematiikassa on paitsi solmuteoriaa, myös palmikkoteoriaa. Tiesitkö, että palmikoillakin voi laskea?
- Kommentti: mitä siellä Microsoftilla oikein tehtiin? Preprintissä kuvataan yksiulotteisen suprajohtavan nanojohdon kanssa tehtyjä mittauksia. Siinä on saatu näkyviin joitakin topologisessa qubitissa tarvittavia ominaisuuksia.
