Tutkijat kytkivät lähes ikiliikkuvan aikakiteen ensimmäistä kertaa ulkoiseen värähtelijään – voi kasvattaa kvanttitietokoneiden laskentatehoa

Kimaltava kristalli saa kauniin muotonsa erittäin tarkasti järjestäytyneistä atomeista, jotka muodostavat säännöllisen rakenteen. Fysiikan nobelisti Frank Wilczek esitti vuonna 2012, että kvanttijärjestelmät – eli atomien ja hiukkasten muodostamat järjestelmät, joiden käyttäytymistä ohjaa kvanttimekaniikka – voivat tehdä samoin, mutta niiden rakenne muodostuu tilan sijaan ajassa.

Niin sanottu aikakide olisi siis järjestelmä, jonka pienimmässä mahdollisessa energiatilassa esiintyy säännöllisesti toistuvaa liikettä ikuisesti ja ilman ulkopuolista energiaa. Vuonna 2016 aikakiteiden olemassaolo pystyttiin todistamaan kokeellisesti.

Nyt Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat ensimmäistä kertaa kytkeneet aikakiteen ulkopuoliseen värähtelijään. Tutkimuksessa onnistuttiin luomaan aikakiteistä niin sanottu optomekaaninen järjestelmä, jolla voi tulevaisuudessa esimerkiksi kehittää äärimmäisen tarkkoja sensoreita tai kvanttitietokoneiden toiminnalle elintärkeitä muistijärjestelmiä, kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja, akatemiatutkija Jere Mäkinen.

Tutkimus on juuri julkaistu arvostetussa Nature Communications -lehdessä.

”Kvanttimaailmassa ikiliike on mahdollista kunhan sitä ei häiritä ulkopuolisella energialla, kuten havainnoinnilla. Aikakidettä ei ole koskaan aiemmin kytketty mihinkään ulkopuoliseen järjestelmään. Nyt kuitenkin onnistuimme siinä, ja osoitimme myös ensimmäistä kertaa, että kiteen ominaisuuksia on mahdollistamuokata tällä tavalla”, Mäkinen sanoo.

Tutkijat pumppasivat magnoneiksi kutsuttuja kvasihiukkasia eli yksittäisten hiukkasten tavoin käyttäytyviä hiukkasryhmiä radioaaltojen avulla helium-3-supranesteeseen, joka oli jäähdytetty lähelle absoluuttista nollapistettä. Kun pumppu kytketään pois päältä, magnonit muodostavat aikakiteen, joka toimii ennennäkemättömän pitkään: se pysyy liikkeessä jopa 10⁸ värähtelyn ajan – tässä tapauksessa useita minuutteja – ennen vaimenemistaan tasolle, jota tutkijat eivät enää pystyneet havaitsemaan. Vaimenemisen aikana aikakide kytkeytyy läheiseen mekaaniseen värähtelijään muodostaen optomekaanisen systeemin. Kytkeytyminen näkyy kokeissa taajuuden vaihteluina tavalla, joka määräytyy mekaanisen värähtelijän värähtelytaajuudesta sekä -laajuudesta.

”Osoitimme, että havaitut aikakiteen taajuuden vaihtelut selittyvät täysin fysiikassa tunnettujen optomekaanisten ilmiöiden avulla, joihin perustuu esimerkiksi LIGO-observatorion gravitaatioaaltojen mittaaminen. Aikakiteen liikkeen energiahäviötä pienentämällä ja mekaanisen värähtelijän taajuutta nostamalla tämän asetelman voisi optimoida lähelle kvanttimaailman rajaa”, Mäkinen sanoo.

Aikakiteitä voitaisiin näin käyttää esimerkiksi kvanttitietokoneiden laskentatehon ja mittauslaitteistojen tarkkuuden kasvattamiseen.

”Aikakide on moninkertaisesti pitkäikäisempi kuin muut kvanttijärjestelmät, joita käytetään nykyisin esimerkiksi kvanttilaskennassa. Parhaassa tapauksessa aikakidettä voitaisiinkin käyttää esimerkiksi kvanttiprosessorin muistina, johon kvanttitila voidaan tallentaa huomattavasti nykyistä pidempään. Lisäksi aikakiteitä voisi hyödyntää niin sanottuna taajuuskampana, joita käytetään äärimmäisen tarkoissa mittauksissa taajuusreferensseinä.”

Tutkimuksessa hyödynnettiin Suomen kansalliseen nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuuri OtaNanoon kuuluvan Kylmälaboratorion laitteistoja ja Aalto Science-IT:n teholaskentainfrastruktuuria.