Kohti kvanttiteollisuutta: VTT:n rooli mahdollistavan kvanttiteknologian kehittämisessä

Muutoksen toteuttaminen vaatii paljon muutakin kuin pelkän kvanttiprosessorin. Jokainen kvanttijärjestelmä on monimutkainen kokoelma eri teknologioita: kehittyneitä materiaaleja, puolijohdeprosessointia, fotoniikkaa, detektoreja, elektroniikkaa, paketointia, kryogeniikkaa, ohjausjärjestelmiä, testausta ja integrointia. Vaikkei sana kvantti aina välttämättä esiinny kyseisten teknologioiden nimissä, niistä kuitenkin riippuu, onko kvanttilaitteella mahdollisuuksia edetä laboratoriotestauksesta valmiiksi tuotteeksi. Tämä kehittyvä kvanttiteknologian käytön mahdollistava kerros on yksi globaalin kvanttiteollisuuden tärkeimmistä osa-alueista.

Eurooppa on nyt viemässä tätä tavoitetta käytäntöön uuden sukupolven kvanttipilottien avulla. Sen sijaan, että keskityttäisiin vain yhteen kvanttiarkkitehtuuriin, näissä hankkeissa tutkitaan useita eri teknologioita, joiden odotetaan muokkaavan alan tulevaisuutta.

Kaikki alempana esitellyt eurooppalaiset kehitysalustat eroavat teknisesti toisistaan. Kunkin niistä on kuitenkin ratkaistava sama teollisen alan ydinkysymys: kuinka muuntaa lupaava kvanttiteknologia sellaiseksi, että sen valmistaminen, integrointi ja käyttö on mahdollista teollisessa mittakaavassa?

• VTT:n koordinoimassa suprajohtaviin kvanttiteknologioihin keskittyvässä SUPREME-hankkeessa kehitetään vakaita ja toistettavia valmistusprosesseja sekä suprajohtavien kvanttisirujen kehittynyttä integrointia.  
• Twenten yliopiston koordinoimassa P4Q-hankkeessa rakennetaan fotonisten kvanttisirujen ja ‑kokoonpanojen eurooppalaista valmistusekosysteemiä.
• CHAMP-ION-hanke, jota koordinoi Silicon Austria Labs, keskittyy loukutettuja ioneja hyödyntävien kvanttisirujen teollistamiseen.
• PASQALin koordinoimassa Q-PLANET-hankkeessa keskitytään neutraalien atomien kvanttiteknologiaan sirumittakaavassa.
• CNR:n koordinoimassa DIREQT-hankkeessa kehitetään eurooppalaista valmistusalustaa timanttipohjaisille kvanttiteknologioille.  
• Imecin koordinoima SPINS-hanke keskittyy spin-pohjaisiin kvanttiteknologioihin.  

VTT on luonut itselleen erityisaseman tässä eurooppalaisessa toimintaympäristössä olemalla mukana kaikissa kuudessa eurooppalaisessa kvanttipilotissa yhdistäen näin fotoniikan, mikrovalmistuksen, suprajohtavien teknologioiden, detektorien, paketoinnin ja järjestelmien integroinnin asiantuntemusta eri kvanttialustojen välillä. Kyseiset valmiudet ovat hyvin olennainen osa eri kvanttiarkkitehtuureja, ja niiden avulla rakennetaan siltaa kvanttitutkimuksen ja teollisen valmistuksen välille. VTT:n rooli on laajempi kuin jos kehityskohteena olisi vain yksi tietyn tyyppinen kvanttitietokone: VTT osaltaan auttaa rakentamaan koko Euroopan kvanttiekosysteemin tueksi tarvittavaa teknologiakerrosta. Vaikka erilaisten kvanttialustaratkaisujen välillä saattaa olla kilpailua, monia niiden pohjana toimivia mahdollistavia teknologioita on kuitenkin mahdollista jakaa ja kehittää yhä enenevässä määrin yhdessä.

VTT:n roolia havainnollistaa parhaiten VTT:n koordinoima uraauurtava eurooppalainen kokeilupilottilinja Qu-Pilot, joka yhdistää kvanttiteknologiainfrastruktuureja ympäri Eurooppaa. Qu-Pilot paikkaa aukkoa eurooppalaisessa innovaatioketjussa tarjoamalla yrityksille ja tutkijoille mahdollisuuden päästä hyödyntämään kokeellisia tuotantovalmiuksia ilman että niiden tarvitsee itse rakentaa koko tarvitsemansa infrastruktuuri. Hanke kattaa useita kvanttiteknologian aloja, ja sen tavoitteena on yhdistää eurooppalaiset valmiudet hajautettuun pilottituotantoverkkoon.

Vakautta lisäävät kvanttipilotit ovat seuraava vaihe. Niiden avulla pyritään luomaan vakaita ja skaalautuvia kvanttisirujen valmistusprosesseja.  Tämä tarkoittaa merkittävää muutosta eurooppalaisessa suhtautumisessa kvantti-innovaatioita kohtaan. 

Kun Euroopan eri kvanttipilotit edistyvät, mahdollistavan teknologiakerroksen merkitys tulee yhä näkyvämmäksi. Mahdollistavien teknologioiden vahvuutena on kyky luoda arvoa eri kvanttialustojen välillä tiedon ja infrastruktuurien jakamisen kautta. Esimerkiksi fotoniikka mahdollistaa eri kvanttijärjestelmien yhdistämisen. Kehittyneet paketointiratkaisut puolestaan mahdollistavat erilaisten teknologioiden integroimisen. Samat puolijohdeprosessit voivat tukea useita eri kvanttiarkkitehtuureja, kun taas detektorit ja hallintateknologiat voivat palvella sekä tietojenkäsittelyn, viestinnän että anturoinnin tarpeita. Mahdollistava teknologiakerros tarjoaa näin ollen yhteisen ”kielen” erilaisille kvanttialustoille.

Kvanttiteknologian kehitys on riippuvaista hyvin monenlaisista mahdollistavista teknologioista, joihin kuuluvat kehittyneet materiaalit, puolijohdeprosessointi, suprajohtavat laitteet, detektorit, kryogeniikka, RF-elektroniikka, hallintajärjestelmät, paketointi, testaaminen ja integrointi. Nämä teknologiat tarjoavat perustan kvanttilaitteiden laajamittaiselle valmistukselle ja toiminnalle.  

Mahdollistavien teknologioiden joukossa fotoniikalla on erityisen tärkeä rooli. Se edustaa keskeistä mahdollistavaa teknologiaa eri kvanttialustojen välillä ulottuen loukutettuja ioneja hyödyntävistä ja suprajohtavista järjestelmistä fotoniikkapohjaisiin ja neutraalien atomien teknologioihin. Se mahdollistaa valon kompaktin tuottamisen, reitittämisen, hallinnan ja havaitsemisen, kun taas optisen paketoinnin ja integroinnin avulla integroituja optisia piirejä (PIC-piirit) voi yhdistää kuituihin, lasereihin, detektoreihin ja muihin komponentteihin. Fotoniikka tarjoaa myös skaalautuvan tavan liittää yhteen matalan lämpötilan ja huonelämpötilan välisiä järjestelmiä.

Tämä luo Euroopalle suuria mahdollisuuksia. Kvanttiteknologian tulevaisuus riippuu paitsi entistä laadukkaammista kubiteista myös kyvystä valmistaa, integroida ja testata niitä laajassa mittakaavassa. Mahdollistavilla kvanttiteknologioilla on keskeinen rooli Euroopan tutkimusvahvuuksien muuttamisessa teolliseksi voimatekijäksi.