Aalto-yliopisto

EMBARGO 20.1.2022 klo 07:00 Mullistava valonlähde voi tuoda lisätehoa ja -turvaa kvantti-informaation siirtämiseen

Jaa

Kvanttilomittumiseen perustuva LED-valonlähde räätälöidään kerros kerrokselta yhden atomin paksuisista tasoista.

Kaaviokuva suprajohtavasta fotonien lomittumisgeneraattorista. Tummansininen pohjakerros on suprajohde, josta pariutuneet, lomittuneet elektronit tunneloituvat vaaleansinisen kerrosrakenteen läpi ylempiin kerroksiin. Lomittunut fotonipari syntyy, kun tunneloituneet elektronit siirtyvät samanaikaisesti vapaana oleviin matalampiin energiatiloihin. Kuva: Ethan D. Minot.
Kaaviokuva suprajohtavasta fotonien lomittumisgeneraattorista. Tummansininen pohjakerros on suprajohde, josta pariutuneet, lomittuneet elektronit tunneloituvat vaaleansinisen kerrosrakenteen läpi ylempiin kerroksiin. Lomittunut fotonipari syntyy, kun tunneloituneet elektronit siirtyvät samanaikaisesti vapaana oleviin matalampiin energiatiloihin. Kuva: Ethan D. Minot.

Lomittuminen on kvanttimekaniikan keskeisin ilmiö, jonka ansiosta kaksi valohiukkasta eli fotonia voi olla yhteydessä toisiinsa – välimatkasta riippumatta. Tähän ominaisuuteen perustuu myös kvanttiteknologioiden valtava teho. Kvanttitietokoneiden, -sensorien ja -kryptografian kehitys vaatii kuitenkin uusia, tehokkaampia fotoniparien lähteitä.

Nyt Aalto-yliopistossa aletaan rakentaa vallankumouksellista fotoniparien kvanttilomittumiseen perustuvaa LED-valonlähdettä professori Pertti Hakosen johdolla. Tutkimusryhmä on saanut työhön Jane ja Aatos Erkon säätiöltä ja Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiöltä kolmivuotisen Tulevaisuuden tekijät -ohjelman rahoituksen.

”Aikaisemmin lomittuneita fotoneja on tuotettu epälineaarisilla kiteillä, mikä on hyvin kömpelöä ja aika lailla tehotonta: ulos saadaan muutama lomittunut kvanttipari satunnaisesti ja huonolla hyötysuhteella”, Hakonen kertoo.

Nyt käynnistyvässä hankkeessa tutkijat kehittävät lomittuneille fotoneille tehokkaan, kompaktin, kirkkaan ja kontrolloitavan lähteen. Se perustuu moderniin materiaalitekniikkaan, jossa yhden atomitason paksuisia kerroksia voidaan liittää toisiinsa räätälöidysti kerros kerrokselta. Kerrokset voivat olla erimerkiksi grafeenia, nitridiä tai sulfidia.

”Juuri tämä räätälöity kerrosrakenne mahdollistaa sen, että elektronien tunneloituminen eli niiden ajaminen materiaalin läpi tuottaa lomittuneen valon”, Hakonen kertoo.

Kohti kvantti-internetiä

Lomittunut fotonigeneraattori pystyttäisiin helposti integroimaan myös kvanttitietokoneiden jäähdyttämiseen tarvittaviin kryostaatteihin. Tämä mahdollistaisi nopean kvanttikommunikaation erillisten, kaukanakin toisistaan olevien kvanttiprosessorien välillä. Toisiinsa kytketyt yksittäiset kvanttitietokoneet voivat muodostaa kvantti-internetin, jonka välityksellä voidaan tulevaisuudessa suorittaa myös hajautettua kvanttilaskentaa.

”Hajautetun kvanttilaskennan ansiosta suuret kvanttiprosessorit voidaan muodostaa rakenteeltaan yksinkertaisista kvanttitietokoneista, mikä vähentää operoinnin haasteita”, Hakonen kertoo.

Tehokkaita lomittumisgeneraattoreita tarvitaan myös nopeasti kehittyvässä kvanttikryptografiassa eli tiedon salauksessa. Lomittuneisiin fotoneihin perustuvat salausavaimet mahdollistaisivat äärimmäisen turvallisen tiedonsiirron.

”Mikä tahansa salakuunteluyritys rikkoo lomittumisen, jolloin salakuuntelu ei ole mahdollista ja viestiin jää myös jälki, joka on helppo havaita.”

Professori Zhipei Sun ryhmineen osallistuu näytteiden valmistustekniikoiden ja laitteen tuottamien lomittuneiden fotonien luokittelun kehittämiseen. Hakosella ja Sunilla on yhteinen laitteisto, joilla voi pinota erittäin ohuita ja reaktioherkkiä kerrosrakenteita. Myös Aallossa kesään 2022 saakka vierailulla olevalla Oregonin yliopiston professori Ethan D. Minotilla on hankkeessa keskeinen rooli. Kryostaattien osalta hankkeen yrityskumppanina on Aallon spinoff-yritys Bluefors.

Hankkeen ohjausryhmässä on mukana muun muassa infrapunakameroihin keskittyvän Emberion-yrityksen teknologiajohtaja Tapani Ryhänen. Hollantilaisen Single Quantum -yrityksen tutkimuksesta vastaava johtaja Val Zwiller ja sveitsiläisen Terra Quantum -yrityksen teknologiakehityksestä vastaava professori Gordey Lesovik ovat myös hankkeessa yhteistyökumppaneina.

Tutkimushanke tukee Fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaivaa (PREIN), joka on yksi Suomen Akatemian rahoittamista osaamiskeskittymistä. Tutkijat ovat osa kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland (QTF) ja kansallista kvantti-instituuttia (InstituteQ). Kokeissa hyödynnetään kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria. Hankkeessa hyödynnetään erityisesti uutta Blueforsin kryostaattia, joka hankittiin Aaltoon Suomen Akatemian tutkimusinfrastruktuureille suunnatulla FIRI-rahoituksella vuoden 2021 lopulla.

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Pertti Hakonen
Professori
Aalto-yliopisto
pertti.hakonen@aalto.fi
puh. 050 344 2316

Kuvat

Kaaviokuva suprajohtavasta fotonien lomittumisgeneraattorista. Tummansininen pohjakerros on suprajohde, josta pariutuneet, lomittuneet elektronit tunneloituvat vaaleansinisen kerrosrakenteen läpi ylempiin kerroksiin. Lomittunut fotonipari syntyy, kun tunneloituneet elektronit siirtyvät samanaikaisesti vapaana oleviin matalampiin energiatiloihin. Kuva: Ethan D. Minot.
Kaaviokuva suprajohtavasta fotonien lomittumisgeneraattorista. Tummansininen pohjakerros on suprajohde, josta pariutuneet, lomittuneet elektronit tunneloituvat vaaleansinisen kerrosrakenteen läpi ylempiin kerroksiin. Lomittunut fotonipari syntyy, kun tunneloituneet elektronit siirtyvät samanaikaisesti vapaana oleviin matalampiin energiatiloihin. Kuva: Ethan D. Minot.
Lataa
LED-valonlähdettä on kehitetty Pertti Hakosen vetämässä NANO-tutkimusryhmässä.
LED-valonlähdettä on kehitetty Pertti Hakosen vetämässä NANO-tutkimusryhmässä.
Lataa

Linkit

Tietoja julkaisijasta

Aalto-yliopisto
Aalto-yliopisto
PL 18000
00076 AALTO

09 47001, viestinta@aalto.fihttp://aalto.fi

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 12 000 opiskelijaa ja yli 4000 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

Miten vauhditetaan innovaatioita, saadaan ruoka riittämään ja tehdään kaupungeista vihreitä? Sustainability Science Days etsii vastauksia aikamme isoihin kestävyysongelmiin18.5.2022 08:30:00 EEST | Tiedote

Sustainability Science Days on Aalto-yliopiston ja Helsingin yliopiston vuosittain järjestämä, Suomen suurin kestävän kehityksen tiedekonferenssi. Kaksipäiväinen tapahtuma keskittyy tänä vuonna globaaleihin systeemitason ratkaisuihin esimerkiksi ruoan, kaupunkien ja hallinnon osalta.

Aalto-yliopisto perustajaosakkaaksi ekologista tekstiilikuitua kehittävään Ioncell-yhtiöön18.5.2022 07:33:57 EEST | Tiedote

Vastaperustetun yhtiön tavoitteena on kaupallistaa Ioncell®-teknologia, jonka avulla tekstiilijätteestä ja puusta voidaan valmistaa ekologisesti kestävällä tavalla korkealaatuista tekstiilikuitua. Ioncell Oy tavoittelee 10 vuoden aikana 5–10 prosentin osuutta kansainvälisestä yli 200 miljardin euron tekstiilikuitumarkkinasta, mikä toisi yhtiölle satojen miljoonien vuosittaiset lisensiointitulot.

Mediakutsu: Product Design Gala 13.5. – ekologinen kotimaisesta puusta valmistettu sähkövene, supertarkka tehdasnosturi, syötävä pakkausmateriaali ja paljon muuta9.5.2022 09:56:37 EEST | Kutsu

Aalto-yliopiston Product Development Project -kurssi (PDP) viettää tänä vuonna 25-vuotisjuhlaa. Monialaiset tiimit ovat syyskuusta lähtien paneutuneet yrityskumppanien esittämiin haasteisiin, ja Gala-tapahtumassa perjantaina 13.5. on aika näyttää tulokset ja prototyypit maailmalle. Tapahtuma on avoinna klo 9.00-17.00 kaikille kiinnostuneille, ja sinne odotetaan satoja kävijöitä sekä yliopisto- että yritysmaailmasta.

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