EMBARGO 20.1.2022 klo 07:00 Tutkijat kehittivät maailman tarkimman säteilyilmaisimen – nyt se räätälöidään osaksi kvanttitietokoneita

Syyskuussa 2020 Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat paljastivat kehittäneensä huippunopean nanokokoisen säteilyilmaisimen, bolometrin, jonka nopeus oli riittävä kvanttitietokoneen kubittien lukemiseen.

Nyt professori Mikko Möttönen on tiiminsä ja yhteistyökumppaniensa kanssa saanut Jane ja Aatos Erkon säätiöltä ja Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiöltä Tulevaisuuden tekijät -ohjelman rahoituksen. Sen avulla he haluavat jalostaa bolometriteknologian osaksi paitsi kvanttitietokoneita myös superpakastimia ja terahertsikameroita. Kyseessä olisi ensimmäinen kerta, kun uutta bolometria hyödynnetään käytännön sovelluksissa.

Nanokokoisen bolometrin rakentaminen oli suuri urakka, Möttönen kertoo.

”Halusimme kehittää maailman parhaan säteilyilmaisimen. Meni seitsemän vuotta, että saimme sen toimimaan, ja kolme vuotta olemme vielä parannelleet sitä entisestään.”

Kvanttitietokoneeseen vaadittava nopeus saavutettiin, kun ryhmä korvasi bolometrissa aiemmin käytetyn kultapalladiumin grafeenilla, grafeenipohjaisiin laitteisiin erikoistuneen professori Pertti Hakosen tiimin avulla.

”Nyt meidän on tarkoitus demonstroida ensimmäistä kertaa maailmassa kvanttibitin informaation lukemista säteilyilmaisimen avulla”, Möttönen sanoo.

Kohti teollista valmistusta

VTT on hankkeessa mukana viemässä ilmaisinten valmistusta yksittäisistä prototyypeistä kohti teollisempaa valmistusta. VTT:llä on kokemusta terahertsibolometreista ja grafeenista erityisesti Sanna Arpiaisen ja Joonas Goveniuksen tutkimusryhmissä, sekä aihepiiriin oma tutkimusprofessori Mika Prunnila.

”Sovellamme bolometrien valmistuksessa uusinta grafeeniteknologiaa, jota kehitetään esimerkiksi yhdessä eurooppalaisen puolijohdeteollisuuden kanssa”, VTT:n tutkimustiimin vetäjä Sanna Arpiainen kertoo.

Hankkeessa on tarkoitus tehdä myös yritysyhteistyötä superpakastimia eli kryostaatteja valmistavan Blueforsin ja terahertsikameroita valmistavan Asqellan kanssa.

Bolometri voi auttaa pääsemään eroon kvanttitietokoneita jäähdyttäviä kryostaatteja haittaavasta lämpösäteilystä.

”Nykyiset kryostaateissa olevat lämpömittarit mittaavat metallilevyjen lämpötilaa. Uusi, bolometriin perustuva lämpömittarityyppi mittaisi juuri kryostaatin sisällä olevan säteilyn lämpötilaa”, sanoo Möttönen.

Jäähdytetyt terahertsikamerat havaitsevat esimerkiksi ihmisestä lähtevää lämpösäteilyä. Bolometrin avulla voitaisiin kehittää ensimmäistä kertaa lämpökameran kenno, joka havaitsee yksittäisiä fotoneja.

”Jos pystymme näkemään ja laskemaan yksittäiset terahertsifotonit, pääsemme eroon paljosta kohinasta ja saamme kameran kuvaa tarkemmaksi. Terahertsikameroita voi käyttää muun muassa turvasovelluksissa lentokentillä ja varastoissa”, Möttönen tarkentaa.

Möttösen Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmä on osa Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikköä (QTF) ja kansallista kvantti-instituuttia (InstituteQ). Näitä tahoja hankkeessa edustavat myös professori Pertti Hakosen ja professori Zhipei Sunin tutkimusryhmät. Muista Aallon professoreista on mukana Ville Viikari antennisuunnittelussa ja bolometrien lukupiirin optimoinnissa. Kokeissa hyödynnetään kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria.

Kansainvälisiä yhteistyökumppaneita ovat muun muassa professori David Haviland Kuninkaallisesta teknillisestä korkeakoulusta (KTH) ja professori Yannis Semertzidis Aksionien ja tarkkuusfysiikan tutkimuskeskuksesta (CAPP).