Tutkijat mittasivat tseptojoulen, eli energiamäärän, jolla punasolu liikkuu nanometrin

Kvanttimekaniikan tutkimuskohteet ovat äärettömän pieniä. Niitä ovat esimerkiksi valoa kantavat fotonit, joilla ei ole lainkaan massaa paitsi liikkuessaan. Tutkijoiden tehtävänä on kehittää jatkuvasti tarkempia keinoja mitata ja hallita kvanttimaailmaa, sillä mitä tarkempi mittaus, sitä todennäköisemmin siitä on hyötyä esimerkiksi kvanttiteknologiassa tai vaikka pimeän aineen koostumukseksi arveltujen aksioni-nimisten hiukkasten metsästyksessä.

Nyt suomalaiset tutkijat ovat ensimmäistä kertaa onnistuneet mittaamaan alle tseptojoulen energiamäärän kalorimetriksi kutsutulla sensorilla, joka on lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilassa toimiva lämpöenergiamittari. Tseptojoule, eli joulen triljoonas-miljardisosa, on niin pieni energiamäärä, että sen avulla yksi punaverisolu voi liikahtaa Maan painovoimassa ylöspäin nanometrin eli metrin miljardisosan verran.

Aalto-yliopiston akatemiaprofessori Mikko Möttösen johtaman ryhmään kuului tutkijoita myös tutkimuslaitos VTT:stä ja kvanttilaskentayritys IQM:stä. Tutkimus on julkaistu Nature Electronics -lehdessä.

Uusi tarkkuuden taso

Äärimmäisten pienten signaalien mittaaminen on monimutkaista. Tutkijat lähettivät mikroaaltopulssin sensoriin, jonka he olivat rakentaneet kahdesta eri metallista: suprajohtimesta, jossa sähkövirta kulkee esteettä, ja tavallisesta johtimesta, jossa se kohtaa vastuksen.

“Tämän koeasetelman tarkkuus perustuu juuri metallien yhdistelmälle, joka tekee suprajohtavuudesta niin herkän ilmiön, että se heikkenee heti, jos lämpötila erittäin kylmässä johtimessa kohoaa yhtään”, Möttönen sanoo.

Sen jälkeen tutkijat filtteröivät saamaansa dataa ja saivat lopullisen lukeman. Sen mukaan he olivat havainneet niin mitättömän sähkömagneettisen pulssin, ettei sitä voi arkijärjellä ymmärtää: vain 0,83 tseptojoulea eli joulen triljoonas-miljardisosan. Se on tarkin kalorimetrinen mittaustulos maailmassa.

Kubitteja ja aksioneja

Tutkimus raivaa tietä yksittäisten fotonien laskemiselle. Möttösen mukaan sellaista mittaustarkkuutta on haviteltu pitkään ei pelkästään kvanttiteknologian alalla vaan myös esimerkiksi astrofysiikassa.

“Haluamme tehdä tästä laitteistosta sellaisen, että se pystyy havaitsemaan signaaleja, joiden saapumisaikaa ei tiedetä. Se on tärkeää esimerkiksi pimeän aineen aksionien etsimiseen avaruudesta, sillä niistä ei voi tietää million ne saattavat ilmestyä.”

Möttösen mukaan heidän kalorimetrillään on etu, jonka ansiosta sen voisi integroida eri laitteistoihin.

“Kalorimetrit toimivat samassa muutamien millikelvinien lämpötilassa kuin kvanttitietokoneiden kubitit. Ne eivät häiritse koko järjestelmää yhtä paljon kuin monet muut mittauslaitteet, koska niiden signaalia ei tarvitse vahvistaa ja niitä ei tarvitse tuoda pois kylmästä ympäristöstä mittaustuloksen saamiseksi. Tulevaisuudessa laitettamme voisi käyttää esimerkiksi kvanttitietokoneiden kubittien lukemiseen.”

Tutkijat hyödynsivät tutkimuksessaan Suomen kansallisen nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuuri OtaNanon laitteistoja. Tutkimusta tuki Jane ja Aatos Erkon säätiön ja Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön Future Makers -projekti.