Fujitsu ja Osakan yliopisto kehittivät uusia teknologioita tuomaan kvanttilaskennan lähemmäs käytännön sovelluksia
Yhteistyö edistää kvanttitietokoneiden varhaista hyödyntämistä. Tavoitteena on soveltaa teknologioita lääkekehityksessä, uusien materiaalien kehittämisessä sekä rahoituksessa ja vauhdittaa näin merkittävien yhteiskunnallisten haasteiden ratkaisemista.
Fujitsu Finland, 31 03, 2026
Fujitsu Limited ja Osakan yliopiston kvantti-informaation ja -biologian keskus ovat kehittäneet uuden teknologian, joka nopeuttaa kvanttitietokoneiden siirtymistä teolliseen käyttöön vikasietoisten kvanttitietokoneiden varhaisessa vaiheessa (early-FTQC).
Teknologian odotetaan edistävän useiden yhteiskunnallisten haasteiden ratkaisemista esimerkiksi nopeuttamalla lääkekehitystä, tehostamalla ammoniakin valmistusta sekä kehittämällä hiilen kierrätysteknologioita.
Yhdistämällä ainutlaatuisen ja erittäin tehokkaan vaiheenkääntöportteihin perustuvan STAR-arkkitehtuurin kolmannen version uuteen molekyylimallien optimointitekniikkaan, tutkijat ovat onnistuneet vähentämään merkittävästi laskentaan tarvittavia resursseja.
Läpimurto mahdollistaa kemiallisten materiaalien, kuten katalyyttimolekyylien, energialaskennan järkevässä ajassa varhaisen vaiheen vikasietoisilla kvanttitietokoneilla. Tällaiset laskelmat eivät ole nykyisillä tietokoneilla mahdollisia, ja aiemmilla STAR-arkkitehtuurin versioilla ne olisivat vieneet jopa vuosituhansia.
Fujitsun kehitystyö vastaa kvanttilaskennan keskeisiin haasteisiin
Kvanttilaskenta luo uusia mahdollisuuksia monilla aloilla, kuten lääkekehityksessä, kryptografiassa ja rahoituksessa. Nykyiset kvanttitietokoneet ovat kuitenkin erittäin virhealttiita, ja käytännön sovellusten on arvioitu vaativan miljoonien kubittien järjestelmiä.
Virheenkorjauksen parantamiseksi ja kvanttilaskennan käyttöönoton nopeuttamiseksi Fujitsu ja Osakan yliopisto kehittivät STAR-arkkitehtuurin ensimmäisen versio 1:n vuonna 2023 ja version 2 vuonna 2024. Jälkimmäinen laajensi merkittävästi laskentamahdollisuuksia kehittyneiden vaiheenkääntöporttien ansiosta ja mahdollisti FTQC-laskennan soveltamisen kiinteän olomuodon materiaalien korkean lämpötilan suprajohtavuuden kaltaisten ominaisuuksien arviointiin.
Monimutkaisten molekyylien kemiallisten energioiden tarkka laskeminen käytännön sovelluksia varten vaati kuitenkin edelleen liikaa resursseja, ja aiemmat menetelmät olivat rajallisia joko liian pienen laskentatehon tai liian pitkän laskenta-ajan takia.
Fujitsu ja Osakan yliopisto jatkavat STAR-arkkitehtuurin ja molekyylimallien optimointitekniikan kehittämistä laajentaakseen kvanttitietokoneiden käytännön sovellusaluetta varhaisen vaiheen vikasietoisen kvanttilaskennan aikakaudella.
Kuvaus uudesta teknologiasta
Yhteistutkimuksessa [1] osoitettiin, että kahden teknologian yhdistäminen mahdollistaa kemiallisten materiaalien energialaskennan riittävällä tarkkuudella järkevässä ajassa.
-
STAR-arkkitehtuurin version 3 kehittäminen
- STAR-arkkitehtuurin versiot 1 ja 2 osoittivat aiemmin, että vaiheenkääntöportteihin perustuva arkkitehtuuri tehostaa kvanttilaskentaa verrattuna perinteisiin T-portteihin perustuvaan varhaisen vaiheen vikasietoiseen arkkitehtuuriin.
- Nyt kehitetty versio 3 parantaa laskennan tarkkuutta yli kymmenkertaiseksi verrattuna versioon 2 yhdistämällä vaiheenkääntöportit loogisiin T-portteihin.
- Kehitys mahdollistaa monimutkaisempien molekyylien laskennan samalla kubittimäärällä ja vähentää kubittien virhevaatimuksia.
2. Molekyylimallien optimointiteknologia
- Molekyylimallien optimointiteknologia on suunniteltu käytettäväksi STAR-arkkitehtuurin versiota 3 käyttävissä kvanttitietokoneissa ja sitä hyödynnetään kvanttipiirien muodostamisessa molekyylimalleista.
- Teknologia jalostaa olemassa olevia menetelmiä, joissa laskentaresursseja vähennetään pilkkomalla molekyylimallit useisiin osiin ja soveltamalla kunkin osan merkityksen mukaan kahta eri tekniikkaa: aikariippuvaista kehitystä ja satunnaisotantaa.
- Menetelmä muokkaa molekyylimallia ja säilyttää approksimoinnin tarkkuuden, jakaa termien merkitystä uudelleen ja optimoi kahden tekniikan tasapainon. Tämä minimoi kvanttipiireissä tarvittavien porttien määrän ja lyhentää merkittävästi laskenta-aikaa verrattuna perinteisiin menetelmiin.
Teknologioiden toimivuutta testattiin kolmen molekyylin teollisuudessa sovellettavilla energialaskelmilla, jossa arvioitiin tarvittavien kubittien määrää ja laskenta-aikaa. Molekyylit olivat lääkekehityksessä tärkeä hapetin sytokromi P450, ammoniakin tuotantoon ja solun energia-aineenvaihduntaan osallistuvat rauta-rikkiklusterit sekä synteettisessä kemiassa käytetyt ruteenikatalyytit. Nykyisillä tietokoneilla molekyylien tarkka energialaskenta ei ole mahdollista muistirajoitteiden vuoksi.
Tulokset osoittavat, että STAR-arkkitehtuurin versio 3:n ansiosta laskennassa tarvittavien kubittien tarve pienenee murto-osaan (1/15–1/80) verrattuna tavallisiin varhaisen vaiheen vikasietoisiin arkkitehtuureihin. Lisäksi laskenta on mahdollista varhaisen vaiheen vikasietoisilla kvanttitietokoneilla, vaikka kubittien sallittu virhetaso olisi aiempaa korkeampi – 0,10 % aiemman 0,01 % sijaan.
Molekyylimallien optimointitekniikka lyhensi laskenta-aikaa jopa noin tuhannesosaan. Fujitsu ja Osakan yliopisto arvioivat laskenta-ajan lyhentyvän noin 35 päivään, kun kubittien virhetaso on 0,10 %, ja noin 10 päivään, kun virhetaso on 0,01 %. Tulevaisuudessa laskenta-aika voi lyhentyä edelleen, kun kvanttitietokoneiden virhetaso paranee ja käytetään useita kvanttitietokoneita rinnakkain. Näin laskenta-aika saadaan käytännön sovellusten vaatimalle tasolle.
[1] Tutkimusta ovat rahoittaneet Japan Science and Technology Agency (JST), teollisuuden ja akateemisen maailman yhteiskehittämiseen tarkoitettu Open Innovation Platforms for Industry-academia Co-creation (COI‑NEXT), “Quantum Software Research Hub” (JPMJPF2014), JST:n Moonshot‑ohjelman tavoite 6: “Vikasietoisen yleiskäyttöisen kvanttitietokoneen toteuttaminen, joka mullistaa talouden, teollisuuden ja turvallisuuden vuoteen 2050 mennessä” sekä siihen liittyvä T&K-hanke “Theory and Software for Fault‑tolerant Quantum Computers” (JPMJMS2061), Japanin opetus‑, kulttuuri‑, urheilu‑, tiede‑ ja teknologiaministeriön (MEXT) Quantum Leap Flagship Program (MEXT Q‑LEAP) sekä hanke “Development of quantum software by intelligent quantum system design and its applications” (JPMXS0120319794).
Date: 31 03, 2026
City: Fujitsu Finland
Company: Fujitsu Limited