Tutkijat kehittivät uuden mittaustavan, joka mahdollistaa kvanttitietokoneiden entistä suuremmat kubittimäärät
Aalto-yliopiston tutkijat mittasivat ensimmäisinä maailmassa kubitteja äärimmäisen herkillä lämpöilmaisimilla eli bolometreilla.
Jotta lähitulevaisuuden kvanttitietokoneista saadaan aiempaa tehokkaampia, niihin tarvitaan yhä tarkempia ja suurempia määriä kubitteja. Tämä puolestaan vaatii jatkuvasti uusia teknologisia läpimurtoja.
Yksi suurimpia haasteita kvanttitietokoneiden kubittimäärien kasvattamisessa liittyy kubittien sisältämän tiedon lukemiseen tarkasti ja nopeasti. Perinteisesti näihin mittauksiin on käytetty parametrivahvistimiksi kutsuttuja laitteita. Kuten nimestä voi päätellä, laite joutuu vahvistamaan kubittien lähettämiä erittäin heikkoja jännitesignaaleja, jotta se saa lukeman aikaiseksi. Tämä puolestaan aiheuttaa tietoa alleen peittävää kvanttimelua eli kohinaa, ja voi myös johtaa kubittien dekoherenssiin, ellei niitä suojata suurilla lisäosilla.
Vielä hankalammaksi asian tekee se, että vahvistimen käyttäminen vie tilaa, joka kubittimäärien kasvaessa loppuu kesken tarvittavissa äärimmäisen alhaisen lämpötilan superpakastimissa.
Aalto-yliopiston Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmä (QCD) on jo aiemmin onnistunut rakentamaan maailman tarkimman lämmitysilmiöön perustuvan lämpösäteilyn mittarin, eli bolometrin. Tuoreessa Nature Electronics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan he puolestaan osoittivat, että bolometrilla voidaan mitata kubitin tilaa siten, että yksittäisellä kertalukemallakin saadaan riittävän tarkka mittaustulos.
Jopa miljoonat kubitit mahdollisia
Fyysikoiden suureksi harmiksi Heisenbergin epätarkkuusperiaate määrää, ettei hiukkasen paikkaa ja vauhtia, tai signaalin jännitettä ja virtaa, voida samanaikaisesti tarkasti määrittää. Tämä on pätenyt myös kubittien mittaamiseen jännite-virta-vahvistimilla. Sen sijaan bolometreilla tehtävä lämpösäteilyn havainnointi on hyvin erilainen mittaustapa, joka on myös keino kiertää Heisenbergin epätarkkuusperiaate.
Toisin kuin vahvistimet, bolometri lukee säteilyä sen perusteella, miten säteilyn lämpöenergia vaikuttaa siihen. Bolometri on myös kooltaan noin sata kertaa pienempi kuin mittauksiin käytettävät vahvistimet, joten se on mittauslaitteena erinomainen vaihtoehto.
“Kvanttitietokoneiden yhä kehittyessä on helppo kuvitella niiden kubittimäärien kasvavan tuhansiin tai jopa miljooniin. Niinpä jokaisen komponentin huolellinen arviointi on tarpeen, jotta määrää on mahdollista kasvattaa näin massiivisesti. Osoitimme juuri Nature Electronics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessamme, että kehittämämme nanobolometrit ovat varteenotettava vaihtoehto perinteisille vahvistimille. Aivan ensimmäisissä kokeissa havaitsimme, että bolometrimme antavat riittävän tarkkoja kertalukemia, niissä ei ole kvanttikohinaa, ja ne kuluttavat 10 000 kertaa vähemmän energiaa vahvistimiin verrattuna. Ja tämä kaikki pikkuruisessa bolometrissa, jonka lämpösäteilyyn reagoiva osa mahtuisi yhden bakteerin sisään”, sanoo QCD-tutkimusryhmää johtava professori Mikko Möttönen.
Kubitin mittaaminen kertalukemana on fyysikoille keskeinen keino selvittää, kuinka tarkasti laite havaitsee kubitin tiedon yhdellä mittauksella verrattuna useiden mittausten keskiarvoon. Tutkimusryhmä saavutti kokeissaan 61,8 prosentin tarkkuuden, kun lukemisen kesto oli 14 mikrosekuntia. Kun kubitin energian relaksaatioajasta koituva virhe poistettiin, lukeman tarkkuus nousi jo 92,7 prosenttiin.
“Uskomme, että vain pienillä muutoksilla bolometrit saavuttavat halutun 99,9 prosentin tarkkuuden 200 nanosekunnin mittausnopeudella. Voimme esimerkiksi korvata bolometrin materiaalin metallista grafeeniin, jonka lämpökapasiteetti on pieni, ja se pystyy havaitsemaan heikostakin signaalista hyvin pienet energiamuutokset nopeasti. Ja poistamalla tarpeettomia osia bolometrin ja piirin väliltä emme vain paranna lukutarkkuutta, vaan saamme myös aikaan pienemmän ja yksinkertaisemman mittalaitteen. Näin kubittien määrää on mahdollista kasvattaa”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija András Gunyhó QCD-ryhmästä.
Ennen tuoreinta, kubittien tilan lukemista käsittelevää artikkeliaan tutkimusryhmä osoitti vuonna 2019 julkaistussa tutkimuksessaan ensimmäistä kertaa, että bolometreja voidaan käyttää äärimmäisen herkkiin, reaaliaikaisiin säteilymittauksiin. Vuonna 2020 Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan he puolestaan osoittivat, että grafeenin käyttäminen bolometreissa lyhensi mittausnopeuden selvästi alle mikrosekunnin.
Tutkimus tehtiin osana Suomen Akatemian kvanttiteknologian QTF-huippuyksikköä OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria hyödyntäen, ja yhteistyössä VTT:n ja IQM Quantum Computersin kanssa. Sitä ovat rahoittaneet Euroopan tutkimusneuvosto (ConceptQ Advanced Grant), Jane ja Aatos Erkon säätiö sekä Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön Future Makers -ohjelma.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Mikko Möttönen
professori, QCD-ryhmän johtaja
Aalto-yliopisto
mikko.mottonen@aalto.fi
+358 50 594 0950
András Gunyhó
tohtoriopiskelija
Aalto-yliopisto
andras.gunyho@aalto.fi
Linkit
Tietoa julkaisijasta
Aalto-yliopistossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Rakennamme kestävää tulevaisuutta saavuttamalla läpimurtoja avainalueillamme ja niiden yhtymäkohdissa. Samalla innostamme tulevaisuuden muutoksentekijöitä ja luomme ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin. Yliopistoyhteisöömme kuuluu 13 000 opiskelijaa ja yli 4 500 työntekijää, joista 400 on professoreita. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto
Tutkijat valjastivat tuulen esineiden liikuttamiseen29.4.2024 12:55:00 EEST | Tiedote
Tutkijoiden mukaan ilmavirtojen luova hyödyntäminen voi synnyttää uusia robottiteknologioiden muotoja.
Tutkijat kehittivät yleisöaaltoon perustuvan tavan ohjata tanssia virtuaalitodellisuudessa29.4.2024 10:57:17 EEST | Tiedote
Uudessa tekniikassa tanssija voi hypätä virtuaalitodellisuuteen ja alkaa tanssia ilman, että täytyy opetella koreografioita etukäteen.
Kuinka helpottaa tekstin näpyttelyä puhelimella? Tutkijat loivat ensi kertaa ihmisen tekstinsyöttöä simuloivan tekoälymallin18.4.2024 08:45:00 EEST | Tiedote
Malli auttaa ymmärtämään, mitkä tekijät sujuvoittavat ja mitkä puolestaan vaikeuttavat puhelimen näpyttelyä erilaisilla käyttäjäryhmillä.
EMBARGO: Tutkimus selvitti ilmastonmuutoksen vaikutusta tundralla: lämpeneminen voi lisätä hiilen vapautumista hälyttävästi17.4.2024 18:00:00 EEST | Tiedote
Tutkimuksessa havaittiin, että ilman ja maaperän lämpeneminen sekä maaperän kuivuminen lisäsi hiilen vapautumista tundran ekosysteemistä.
Kuivuus on uhka runsaiden vesivarojen Suomessakin16.4.2024 13:15:00 EEST | Tiedote
Suomessa on yhä alhainen riski kuivuudelle, mutta viime vuosikymmenien kuivista kausista on kuitenkin aiheutunut vakavia vaikutuksia etenkin maataloudelle ja vesihuollolle.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme