Monet yhtiöt käyvät kilpajuoksua siitä, kuka rakentaa ensimmäisen hyödyllisen kvanttitietokoneen. Kunhan tekniset ongelmat saadaan ratkottua, pystyy kvanttikone ratkomaan laskentaongelmia, jotka ovat perinteisille supertietokoneille mahdottomia: uudet materiaalikeksinnöt, kemiallisten reaktioiden mallintaminen, nykyisten salausalgoritmien murtaminen.
Kvanttitietokoneen huima laskentateho perustuu nykytietokoneiden 0–1-bittien sijasta kvanttimaailman bitteihin, kubitteihin. Ne hyödyntävät kvanttimekaanista superpositiota. Kubitti voi olla nolla tai ykkönen, tai mitä tahansa siltä väliltä, eli ykkösen ja nollan superpositio.
Googlen, IBM:n ja suomalaisen IQM:n nykyiset kvanttikoneet käyttävät niin sanottuja transmon-kubitteja, jotka ovat lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytettyjä suprajohtavia värähteleviä piirejä.
Yksi kvanttitietokoneita rakentavan suomalaisyritys IQM:n perustajista on Aalto-yliopiston professori Mikko Möttönen. Eric Hyyppä liittyi hänen tutkimusryhmäänsä Aallossa jo ensimmäisenä opiskeluvuonnaan. Möttönen pestasi lahjakkaan opiskelijan töihin IQM:ään, ja Hyyppä aloitti diplomityönsä yrityksessä toukokuussa 2020.
Ideasta käytäntöön
Mikko Möttösellä oli idea uudenlaiseksi suprajohtavan kvanttitietokoneen kubittirakenteeksi.
– Mikolla oli karkea visio rakenteesta. Minä jalostin sitä ja aloin mallintaa piiriä teoreettisesti, Eric Hyyppä kertoo.
Hyyppä sai diplomityössään mallin toimimaan – teoriassa.
– Alkoi näyttää siltä, että tästähän voisi tulla hyvä kubitti.
Myöhemmin tutkijat nimesivät lupaavaksi osoittautuneen tutkimusidean unimon-kubitiksi.
Hyypän teoreettinen diplomityö vakuutti IQM:n johdon, ja uutta kubittirakennetta päätettiin kokeilla käytännössä.
DI:ksi valmistunut Hyyppä oli tuolloin vakitöissä yhtiön kvantti-insinöörinä, ja valmisteli väitöskirjaansa kvanttilaskennan alkeisoperaatioiden tarkkuuden parantamiseksi.
Hän oli myös avainhenkilö unimon-kubitin käytännön testauksessa.
– Määritin teorian perusteella piirin sopivat parametrit, ja suunnittelimme sen yhdessä IQM:n suunnittelutiimin kanssa.
Yhtiön valmistustiimi taas valmisti maailman ensimmäiset unimon-kubitit. Ensimmäisille 1x1 neliösenttimetrin kokoisille prototyyppisiruille oli ladottu kolme unimon-kubittia kullekin.
Hyypän vastuulla olivat prototyyppisirun mittaukset IQM:ssä. Kun uudenlainen kubittisiru jäähdytettiin ensi kertaa lähelle absoluuttista nollapistettä kymmenen millikelvinin lämpötilaan, hän saattoi aloittaa mittaukset.
Niissä uusi kubittityyppi ylitti odotukset kirkkaasti, kilpaillen suoritusarvoillaan tasaveroisesti pitkään kehitettyjen transmon-kubittien kanssa.
– Jo ensimmäisen mittauspäivän iltana oli selvää, että uudella kubitilla voi tehdä 99,9 prosentin tarkkuudella toimivan yhden kubitin logiikkaportin, Hyyppä kertoo väitöstyönsä käänteentekevästä hetkestä.
– Olihan se makeaa, pääsimme yhdessä päivässä pisteeseen, jossa pystyimme tekemään sillä kilpailukykyisiä laskentaoperaatioita.
IQM:n ja Aallon tutkijat raportoivat Hyypän johdolla tuloksista Nature Communications -tiedelehdessä. Tutkimusartikkeli oli vuonna 2022 yksi lehden luetuimmista.
Eroon virheistä
Kvanttisysteemit ovat hyvin herkkiä, ja kubitit ovat alttiita häiriöille. Vaikka uusi unimon-kubitti veti monessa suhteessa vertoja transmon-kubiteille, ei sen 99,9 prosentin virheettömyys vielä riitä niin sanotun kvanttihyödyn saavuttamiseen, siis klassisilla biteillä operoivan tietokoneen peittoamiseen.
Olipa kvanttitietokoneen alkeisoperaatioita suorittamassa kumpi tahansa kubittityyppi, pitäisi virheiden olla mieluusti vielä vähintään kymmenen kertaa nykyistä harvinaisempia.
Hyypän väitöskirja esittelee unimon-kubitin lisäksi muitakin keinoja suprajohtavien kvanttitietokoneiden alkeisoperaatioiden tarkkuuden parantamiseksi. Väitöskirjan uusin julkaisu vuodelta 2024 oli sekin melkoinen läpimurto.
– Se kertoo, miten yhden kubitin logiikkaportin mikroaaltopulssit kannattaa muotoilla, Hyyppä kertoo.
Idea uuteen pulssimuotoon syntyi, kun Hyyppä auttoi DI:ksi opiskellutta pikkusiskoaan epälineaarisen optimoinnin kurssin kotitehtävissä.
– Sain inspiraation soveltaa kotitehtävän optimointiongelmaa pulssimuodon optimointiin, Hyyppä kertoo.
Uudenlaisella pulssimuodolla voi rakentaa aiempaa nopeampia ja tarkempia logiikkaportteja kvanttitietokoneisiin. Väitöskirjan viimeisimmässä julkaisussa Hyyppä osoitti, että uusi pulssimuoto mahdollisti ennätysnopeat yhden transmon-kubitin portit.
Logiikkaporttien nopeuttamisen pullonkaulana ovat olleet niin sanotut vuotovirheet. Ne Hyyppä onnistui leikkaamaan uudella pulssimuodolla kymmenesosaan IBM:n aiempaan ennätykseen verrattuna. Mikä parasta, uudenlaiset pulssimuodot voi ottaa käyttöön jo nykyisissä kvanttitietokoneissa vain ohjelmistoa päivittämällä.
– Voit näin saada kvanttitietokoneesta irti enemmän suorituskykyä. Olemme tutkineet sitä lisää IQM:ssä. Nyt pyrimme saamaan menetelmän käyttöön myös isommilla koneillamme.
Sekä unimon-kubitille että Hyypän kehittämälle uudelle mikroaaltopulssin muodolle on haettu patenttia, ja unimon-kubitille patentti on jo myönnetty. Hyyppä on molempien pääkeksijä.
Merkittävä läpimurto
TEKin ja TFiF:in väitöskirjapalkinnon jakajat kuvasivat Hyypän tutkimusta ”merkittäväksi läpimurroksi suprajohtavien kvanttitietokoneiden perustekniikoissa”.
Kehuihin yhtyi myös Hyypän väitöstilaisuudessa vastaväittäjänä toiminut Princetonin yliopiston professori Andrew Houck. Hän on yksi vuonna 2007 esitellyn transmon-kubitin kehittäjistä.
Tänään tekniikan tohtori Hyyppä työskentelee IQM:llä tittelillä Senior Quantum Engineer. Työ painottuu tutkimukseen, tavoitteena on tehdä kvanttitietokoneista nykyistä vikasietoisempia.
Vaikka Hyypän kehittämä unimon-kubitti vaikuttaa lupaavalta, on sillä pitkä matka käytännön kvanttitietokoneisiin, joista edistyneimpien kvanttisiruille pakataan jo toistasataa transmon-kubittia.
– Pitää osoittaa, että teknologia skaalautuu, että pystymme tekemään ensin kahden kubitin portteja, sitten isompia kokonaisuuksia. Transmon-kubitit on reilun viidentoista vuoden kehitystyöllä saatu toimimaan aika hyvin. Niitä korvaavan teknologian pitäisi olla ylivoimaisesti parempi.
Unimon-kubitin kehitystyö on jatkunut Mikko Möttösen tutkimusryhmässä Aallossa. Uusin tutkimus unimon-kubitin parannetusta versiosta ilmestyi kesällä. Hyyppä on yksi sen kirjoittajista.
– Uudet teoreettiset tulokset olivat lupaavia, mutta tarvitaan vielä kokeellista näyttöä niiden toimivuudesta, Hyyppä kertoo.
Voisiko unimon-kubitti jonain päivänä lyödä laudalta nykyisen transmon-kubitin suprajohtavissa kvanttitietokoneissa?
– Siinä on potentiaalia. Mutta transmoneilla on 15 vuoden etumatka.
Tohtoriksi pikakelauksella
Eric Hyypän (kuvassa) perheen diplomi-insinööripitoisuus on täydet 100 prosenttia. Vanhemmat ovat molemmat TKK:n kasvatteja, veli on valmistunut Aallosta DI:ksi, ja äskettäin myös Eric Hyypän pikkusisko. Isoisä Jussi Hyyppä toimi TKK:n rehtorina vuosina 1985–1994. Ericin isä Juha Hyyppä on nykyisin Paikkatietokeskuksen tutkimusprofessori.
Vuonna 2024 väitellyt Eric Hyyppä ei ole jäänyt pekkaa pahemmaksi. Opinnot sujuivat kuin pikakelauksella: neljässä vuodessa diplomi-insinööriksi, sitten neljässä vuodessa tohtoriksi, välissä ehti käydä asepalveluksessakin.
Vuodesta 2019 lähtien hän on myös tehnyt töitä aika lailla täysipäiväisesti joko Aalto-yliopistossa, IQM:ssä tai Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksessa.
Tätä nykyä Hyypällä on työpaikkoja kaksin kappalein. Neljänä päivänä viikossa hänet tapaa IQM:n konttorilta Espoon Keilaniemessä komentamassa yrityksen kvanttitietokoneita kannettavaltaan.
– Päivän viikossa teen töitä Paikkatietokeskuksessa professori Antero Kukon tutkimusryhmässä, jossa kehitän laserkeilaussovelluksia.
Eric Hyypän tie tekniikan tohtoriksi
- 1997. Eric Hyyppä syntyy Espoossa.
- 2013. Lukio alkaa.
- – Etelä-Tapiolan lukiossa oli todella hyvät matematiikan, fysiikan ja kemian opettajat.
- 2016. Hyyppä ylioppilaaksi, saa hopeamitalin kansainvälisissä fysiikkaolympialaisissa ja aloittaa teknillisen fysiikan opinnot Aalto-yliopistossa.
- 2017. Kesätöihin professori Mikko Möttösen Aalto-yliopiston kvanttitutkimusryhmään jo ensimmäisenä opiskeluvuonna.
- 2018. Möttönen tarjoaa töitä perusteilla olevasta IQM-yrityksestä. – Sanoin kyllä.
- 2020. Hyyppä tekee diplomityönsä IQM:llä uudenlaisesta kubitista. Hän valmistuu DI:ksi joulukuussa 2020 ja aloittaa jatko-opinnot.
- 2022. Tutkimusartikkeli Nature Communications -lehdessä herättää laajaa huomiota.
- 2023. Unimon-kubitti saa patenttisuojan.
- 2024. Hyypän väitöskirja ”High-fidelity elementary operations for superconducting quantum computers” hyväksytään Aalto-yliopiston perus-tieteiden korkeakoulussa
- 2025. TEK ja TFiF palkitsevat Eric Hyypän työn vuoden väitöskirjana.
Mitä haluat saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Haluaisin olla kehittämässä läpimurtoteknologioita, esimerkiksi kvanttilaskentaa kohti hyödyllisiä sovelluksia. Tai toisessa työssäni Paikkatietokeskuksessa saada laserkeilausmenetelmät kunnolla käyttöön metsien mittauksessa yksittäisten puiden tarkkuudella.
Suosikkileikkikalu?
Murtomaasukset. – Pitää taas viedä iso kasa suksia huoltoon ja voiteluun Oittaalle.
Lempiharrastus?
Urheilu monipuolisesti. – Nuorempana kilpailin yleisurheilussa, nyt tulee juostua paljon. Talvella hiihdän paljon, välillä uintia, pyöräilyä, frisbeegolfia ja suunnistusta.