Askel kohti lähes rajatonta laskentatehoa – tutkijat loivat kvanttilomittumista lämmön avulla

Suomalaiset, venäläiset, kiinalaiset ja yhdysvaltalaiset fyysikot ovat yhdessä osoittaneet, että lämpösähköisellä ilmiöllä voidaan tuottaa elektroniparien kvanttilomittuminen toisistaan etäällä olevissa metalleissa, kun metallit ovat kosketuksissa suprajohtavaan rakenteeseen.

"Kvanttilomittuminen on uusien kvanttiteknologioiden kulmakivi. Jo Albert Einstein pohti kvanttilomittumisen aikaansaamaa haamuvuorovaikutusta, jossa hiukkaset vaikuttavat toisiinsa etäisyyksien päästä ilman suoraa vuorovaikutusta toistensa kanssa", sanoo Aalto-yliopiston tutkimustiimiä vetävä professori Pertti Hakonen.

Nature Communications -lehdessä julkaistu tutkimustulos on askel kohti tehokkaita kvanttilaitesovelluksia, kuten entistä tehokkaampia kvanttitietokoneita. Helpon ja hallittavan kvanttilomittumisen avulla erilliset kvanttijärjestelmät saadaan vuorovaikuttamaan keskenään, mikä lisää kokonaislaskentakapasiteettia ekspontentiaalisesti. Tutkijoiden kehittämästä kokeellisesta menetelmästä voi olla apua myös kvanttitermodynaamisten kokeiden tekemisessä.

Tutkijat suunnittelivat kokeessa laitteen, jossa lomittuminen luotiin kerrostamalla grafeeni- ja suprajohde-elektrodeja. Suprajohtavuus eli sähkövastuksen katoaminen aiheutuu lomittuneista elektronipareista, joita kutsutaan Cooperin pareiksi ja jotka ovat sidoksissa toisiinsa sekä vetävät toisiaan puoleensa.

"Lämpötilaeron avulla voimme saada parit hajoamaan, jolloin erotetut elektronit siirtyvät grafeenin kautta eri metallielektrodeihin. Elektronit pysyvät kuitenkin keskenään lomittuneina, vaikka ne ovat melko etäällä toisistaan. Tällöin ne eivät ole täysin erillisiä ja esimerkiksi niitä koskevat mittaustulokset antavat ekvivalentin eli yhdenmukaisen tuloksen", kertoo tohtorikoulutettava Nikita Kirsanov Aalto-yliopistosta.

Tutkimuksella on suuri merkitys paitsi perustutkimuksen, myös käytännön sovellusten tasolla. Koe osoittaa, että lämpötilaeron avulla Cooperin pari saadaan jakautumaan ja näin tuotettua korreloituja, täysin samanlaisia sähkösignaaleja suprajohtavissa rakenteissa.

"Lomittumista voidaan käyttää myös kvanttisalauksessa eli -kryptografiassa, mikä mahdollistaa erittäin turvallisen tiedonsiirron suurillakin maantieteellisillä etäisyyksillä", kertoo professori Gordey Lesovik Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutista. Hän on toiminut useita kertoja vierailevana professorina Aalto-yliopistossa.

Tutkimuksessa hyödynnettiin kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, joka tarjoaa korkeatasoisen kokeellisen ympäristön ja laitteistot nanotieteiten ja -teknologioiden sekä kvanttiteknologioiden tutkimukseen. OtaNanon operoinnista vastaavat Aalto-yliopisto ja VTT. Infrastruktuuri on sekä akateemisten että kaupallisten käyttäjien hyödynnettävissä.  .

Artikkeli: Thermoelectric current in a graphene Cooper pair splitter