Quantum Computing and Devices (QCD)
We have a major effort on experimental low-temperature physics, but we also carry out computational and theoretical work down to fundamental quantum mechanics.
Rajapyykki saavutettu - uusi säteilyilmaisin on riittävän nopea kvanttitietokoneisiin
Huippunopea säteilyilmaisin on tehty kultapalladiumin sijaan grafeenipalasta, joka on niin pieni, että se mahtuisi bakteerin sisään.
Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat kehittäneet uuden nanokokoisen säteilyilmaisimen, jolla voidaan mitata fotonien energiaa ja samalla määrittää kvanttitietokoneissa tarvittavien kubittien energiatila huomattavasti aiempaa tarkemmin ja nopeammin. Tutkimuksen tulokset julkaistiin juuri arvostetussa Nature-ä.
Nanokokoista säteilyilmaisinta kutsutaan bolometriksi, ja sen toiminta perustuu mitattavan säteilyn lämmittävään vaikutukseen. Nopeutensa ja tarkkuutensa ansiosta säteilyilmaisimet voivat löytää tiensä laboratorioista käytännön sovellutuksiin, kuten kvanttitietokoneisiin.
Professori Mikko Möttösen tutkimusryhmä Aalto-yliopistossa on tutkinut herkkiä bolometrejä jo vuosikymmenen ajan.
”Olemme onnistuneet vuosi vuodelta parantamaan säteilyilmaisimen ominaisuuksia. Nyt bolometrimme nopeus ja tarkkuus vaikuttavat olevan riittäviä kubittien sisältämän kvanttitiedon lukemiseen”, sanoo Möttönen.
Tutkimusryhmä onnistui jo aiemmin rakentamaan kultapalladiumista bolometrin, joka oli erittäin vähäkohinainen eli siinä oli hyvin vähän lukusignaalin poukkoilua. Se oli kuitenkin edelleen liian hidas kvanttitietokoneiden kubittien mittaamiseen. Uusi läpimurto saavutettiin korvaamalla kultapalladium grafeenilla. Tätä varten tutkijat tekivät yhteistyötä professori Pertti Hakosen johtaman tutkimusryhmän kanssa, jolla on kokemusta grafeenipohjaisten laitteiden valmistuksesta.
”Kun valmistimme ilmaisimen grafeenista, siitä tuli sata kertaa nopeampi, vaikka kohinan taso pysyi samana. Näiden alustavien tulosten jälkeen voimme vielä tehdä paljon optimointia säteilyilmaisimen parantamiseksi”, kertoo Hakonen.
Vähemmän kohinaa
Kubittien energian mittaaminen on olennainen osa kvanttitietokoneiden toimintaa. Nykyisin useimmat kvanttitietokoneet määrittävät kubitin energiatilan mittaamalla siitä lähtevää jännitettä. Jännitteen mittaamiseen liittyy kuitenkin haasteita. Siihen vaaditaan suuria vahvistinpiirejä, jotka rajoittavat ratkaisun hyödyntämistä suuremmassa mittakaavassa. Lisäksi vahvistin kuluttaa paljon energiaa, ja jännitemittaukset sisältävät kvanttikohinaa, mikä aiheuttaa mittausvirheitä.
Grafeenin lämmönvarauskyky on alhainen, ja sen vuoksi grafeenista valmistettu terminen eli lämpöä mittaava säteilyilmaisin havaitsee hyvin pienet energianmuutokset nopeasti, alle mikrosekunnissa. Tutkijatohtori Antti Laitisen valmistama grafeenipala on lisäksi niin pieni, että se mahtuisi yksittäisen bakteerin sisään.
”Säteilyilmaisimen pieni koko on grafeenin kaksiulotteisuuden eli tasomaisen, vain yhden atomikerroksen paksuisen, rakenteen sekä viime vuosina kehitettyjen nanovalmistusmenetelmien ansiota”, nykyisin Harvardissa työskentelevä Laitinen kertoo.
Mittauksia suoritti väitöskirjaansa viimeistelevä tohtorikoulutettava Roope Kokkoniemi, joka työskentelee nykyisin kvanttitietokoneita rakentavassa IQM-yrityksessä.
”Säteilyilmaisimen suorituskykyä voidaan parantaa merkittävästi jo pelkästään paremmalla mittaustekniikalla”, sanoo Kokkoniemi.
Seuraavaksi tutkimusryhmä keskittyy parantamaan säteilyilmaisimen tarkkuutta entisestään ja käyttämään sitä kvanttisovelluksissa. Tutkimusyhteistyö liittyy Suomen Akatemian rahoittamaan (QTF) ja BOLOSE-anturikehitysprojektiin (RADDESS-ohjelma, 2018-2021). Mikko Möttösen tutkimusryhmä on myös osa Euroopan unionin rahoittamaa Quantum Flagship -hanketta Quantum Microwave Communication and Sensing (QMiCS) -projektillaan.
Tutkimuksessa on hyödynnetty kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, joka tarjoaa korkeatasoisen kokeellisen ympäristön ja laitteistot nanotieteiten ja -teknologioiden, sekä kvanttiteknologioiden tutkimukseen. OtaNano operoinnista vastaavat Aalto-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT. Infrastruktuuri on sekä akateemisten että kaupallisten käyttäjien hyödynnettävissä kansainvälisesti. Lue lisää englanninkieliseltä sivustolta.
äپٴᲹ:
Mikko Möttönen
Professori, Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmän johtaja
Aalto-yliopisto ja VTT
mikko.mottonen@aalto.fi
Pertti Hakonen
Professori, NANO-tutkimusryhmän johtaja
Aalto-yliopisto
pertti.hakonen@aalto.fi
Artikkeli:
R. Kokkoniemi, J.-P. Girard, D. Hazra, A. Laitinen, J. Govenius, R. E. Lake, I. Sallinen, V. Vesterinen, P. Hakonen, and M. Möttönen, Bolometer operating at the threshold for circuit quantum electrodynamics, Nature, (2020).
Lue Mikko Möttösen blogi VTT:n sivuilla:
Lue lisää:
Quantum Circuits and Correlations (NANO)
Nano group of the Low Temperature Laboratory investigates fundamental quantum phenomena in nanostructures using low temperature and electronic transport measurements.
Lue lisää uutisia
Tuore tutkimus osoittaa: Pandemioissa laumaimmuniteetti ei jakaudu tasaisesti
Pandemioiden torjunnassa ihmisten välisten sosiaalisten verkostojen ymmärtäminen on yhtä tärkeää kuin tietää, kuinka moni on immuuni.
Kvanttiennätys: kubitti pysyi koherenttina millisekunnin ajan
Kvanttilaskennan tehokkuusloikkaa ennakoivan tuloksen tekijät kannustavat muita tutkimusryhmiä toisintamaan kokeen.
Tutkimus: Uusien rakennusten päästöistä 70 prosenttia tulee rakentamisesta – eikä sitä huomioida tarpeeksi
Energiatehokkuus ja uusiutuvan energian käyttö ovat vähentäneet uudisrakennusten elinkaaripäästöjä, mutta rakentamisen päästöt eivät ole laskeneet. Viheralueiden vaaliminen ja puurakentamisen suosiminen tekisi rakentamisesta kestävämpää, korostavat tutkijat.