Embargo 20.12. klo 18.00 Tutkijat todistivat kvanttitietokonetta häiritsevien kvasihiukkasten katoamisen

Kvanttitietokoneiden kubittien piirit tehdään suprajohtavista materiaaleista, joissa ei ole lainkaan sähkövastusta.
Suprajohtavuus ja siten kubittien suorituskyky heikkenee, jos suprajohteissa on pariutuneiden elektronien eli Cooperin parien lisäksi pariutumattomia elektroneja eli kvasihiukkasia.
”Vaikka kvasihiukkasia olisi vain yksi miljardia Cooperin paria kohden, se rajoittaa kvanttibittien suorituskykyä eikä kvanttitietokone voi toimia virheettömästi. Jos pariutumattomia hiukkasia on enemmän, myös kubitin elinikä on lyhyempi”, sanoo Aallossa kvasipartikkeleita tutkinut Elsa Mannila, joka nykyisin työskentelee VTT:llä.
Aalto-yliopiston tutkijat havainnoivat yhdessä Lundin yliopiston ja VTT:n tutkijoiden kanssa reaaliaikaisesti pienellä alumiinisaarekkeella olevien kvasihiukkasten määrää. Tutkijat pystyivät varausilmaisimen avulla tarkkailemaan, miten Cooperin parien hajoamisesta syntyvät parittomat elektronit tunneloituivat eli karkasivat yksi kerrallaan pois alumiinisaarekkeelta noin sadan mikrosekunnin kuluessa.
Alumiinisaareke oli kokeessa sekunteja ilman ylimääräisiä elektroneja – paljon pidempään kuin mitä suprajohtavilta kvanttibiteiltä kuluu operaatioiden suorittamiseen.
”Kvasihiukkasista halutaan aina eroon. Tutkimus on siten olennainen askel ideaalisesti toimivien suprajohtavien laitteiden rakentamisessa”, kertoo professori Jukka Pekola.
Sadan päivän koe
Tutkijat seurasivat tutkimuksessa Cooperin pareja yhteensä yli sadan päivän ajan. He pystyivät mittaamaan sähkövarausta reaaliaikaisesti ja äärimmäisen tarkasti yhden yksittäisen elektronin tasolla.
Kokeessa laitetta vuoroin jäähdytettiin ja vuoroin lämmitettiin. Jotkut materiaalit ovat korkeassa lämpötilassa osin virittyneessä tilassa ja jäähdyttäessä virittynyt tila purkaantuu hiljalleen. Samalla lämpöä vapautuu säteilemällä ympäristöön. Lämmön vapautuminen voi johtaa Cooperin parien hajoamiseen, eli vapautunut säteily ja lämpö rikkovat elektronipareja. Sähkövarauksen purkautuminen osoittaa Cooperin parin hajoamisen.
”Halusimme ottaa selvää, milloin Cooperin parit hajoavat ja montako paria hajoaa kerrallaan”, sanoo Pekola.
Kun tutkijat alkoivat jäähdyttää laitetta, Cooperin pareja meni aluksi rikki parikymmentä kertaa sekunnissa. Yhdessä tällaisessa parien rikkoutumista seuranneessa purskeessa oli suurimmillaan kaksikymmentä paritonta elektronia kerrallaan.
”Sen jälkeen, kun laite oli jäähdytetty hyvin matalaan lämpötilaan, alle -273 asteeseen, järjestelmä rauhoittui hiljalleen ja kvasihiukkasia syntyi alumiinisaarekkeella enää muutamia kertoja sekunnissa. Se oli yllättävää; kukaan ei ollut aikaisemmin havainnut sitä, että Cooperin parien rikkoutuminen käy harvinaisemmaksi, kun lämmön vapautuminen lakkaa”, sanoo Mannila.
Purskeiden väliset pitkät hiljaiset ajat olivat yksittäisten hajoamistapahtumien välisiä, sekuntien mittaisia taukoja, jolloin alumiinisaarekkeella ei ollut kvasihiukkasia.
”Kun laite lämmitetään ja koe aloitetaan uudelleen, kaikki alkaa alusta. Alun rauhattomuus johtuu mahdollisesti materiaaleissa olevista epäpuhtauksista. Kyse on siitä, että materiaaleissa olevat epäpuhtaudet jäähtyvät paljon hitaammin kuin laite”, sanoo Pekola.
Tutkimustuloksia voidaan hyödyntää paitsi kvanttitietokoneiden myös muiden suprajohtavien laitteiden kehitystyössä. Suprajohtavilla sähköpiireillä on sovelluksia muun muassa äärimmäisen herkkinä säteilynilmaisimina ja metrologisissa eli mittateknisissä laitteissa.
Tutkimus perustui Aallossa tehtyyn alumiinirakenteeseen, kokeeseen ja mittauksiin, joita ensin suunniteltiin ja sitten analysoitiin yhdessä Lundin yliopiston tutkijoiden, erityisesti professori Peter Samuelssonin kanssa. Mittauksissa välttämätön äärimmäisen matalakohinainen vahvistin on kehitetty Kvanttiteknologian huippuyksikössä (QTF) ja VTT:llä. Tutkimuksessa on käytetty Aallon ja VTT:n yhteistä OtaNano-tutkimusinfrastuktuuria. Aallon tutkimusryhmä kuuluu myös kansalliseen kvantti-instituuttiin (InstituteQ).
Linkki artikkeliin (embargon jälkeen)
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Elsa Mannila
Tutkija
Aalto-yliopisto
elsa.mannila@aalto.fi
puh. 050 304 3760
Jukka Pekola
Professori
Aalto-yliopisto
jukka.pekola@aalto.fi
puh. 050 344 2697
Kuvat

Linkit
Tietoja 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 noin 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
Metsähovin radio-observatorioon rakennetaan maailman laajakaistaisin vastaanotinjärjestelmä8.5.2025 08:45:00 EEST | Tiedote
Kahden kansainvälisen yrityksen tuki tuo parhaan mahdollisen tekniikan suomalaistutkijoiden käyttöön avaruuden mysteerien ratkomiseksi Aalto-yliopistoon kuuluvassa Metsähovin radio-observatoriossa.
Uusi painovoimateoria voi antaa vastauksia maailmankaikkeuden syntyyn7.5.2025 13:30:00 EEST | Tiedote
Tutkijoiden kehittämä ratkaisu painovoiman kvanttiteoriaan auttaisi löytämään vastauksia fysiikan suurimpiin kysymyksiin.
Kutsu: Tuotekehityskurssin loppugaala esittelee opiskelijoiden hienoimmat ratkaisut aina laajennettavasta minisaunasta muovimiinoja havaitsevaan drooniin7.5.2025 11:00:00 EEST | Kutsu
Huippusuositulla tuotekehityskurssilla opiskelijat kehittävät luovia ratkaisuja yritysten antamiin aitoihin haasteisiin. Monialaisilla tiimeillä on yhdeksän kuukautta aikaa ja 10 000 euron budjetti.
Tähtitieteilijät kuvasivat maailmankaikkeuden varhaisimpia galakseja29.4.2025 18:00:00 EEST | Tiedote
James Webb -avaruusteleskoopin tuoreet kuvat tarjoavat tutkijoille ainutlaatuisen näkymän galaksien kehitykseen siitä lähtien, kun maailmankaikkeus oli alle miljardin vuoden ikäinen.
Ainutlaatuinen tutkimus kartoitti satelliittitietojen avulla elinoloja: ahma palaamassa Etelä-Suomeen23.4.2025 08:35:00 EEST | Tiedote
Tuore tutkimus antaa arvokasta tietoa siitä, minkälaisissa metsätyypeissä ahma viihtyy. Suomen ahmapopulaatio on kasvanut tasaisesti viime vuosina, mutta laji on edelleen erittäin uhanalainen.
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