EMBARGO 30.9.2020 klo 18.00 Rajapyykki saavutettu - uusi säteilyilmaisin on riittävän nopea kvanttitietokoneisiin

Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat kehittäneet uuden nanokokoisen säteilyilmaisimen, jolla voidaan mitata fotonien energiaa ja samalla määrittää kvanttitietokoneissa tarvittavien kubittien energiatila huomattavasti aiempaa tarkemmin ja nopeammin. Tutkimuksen tulokset julkaistaan 30. syyskuuta arvostetussa Nature-lehdessä.

Nanokokoista säteilyilmaisinta kutsutaan bolometriksi, ja sen toiminta perustuu mitattavan säteilyn lämmittävään vaikutukseen. Nopeutensa ja tarkkuutensa ansiosta säteilyilmaisimet voivat löytää tiensä laboratorioista käytännön sovellutuksiin, kuten kvanttitietokoneisiin.

Professori Mikko Möttösen tutkimusryhmä Aalto-yliopistossa on tutkinut herkkiä bolometrejä jo vuosikymmenen ajan.

”Olemme onnistuneet vuosi vuodelta parantamaan säteilyilmaisimen ominaisuuksia. Nyt bolometrimme nopeus ja tarkkuus vaikuttavat olevan riittäviä kubittien sisältämän kvanttitiedon lukemiseen”, sanoo Möttönen.

Tutkimusryhmä onnistui jo aiemmin rakentamaan kultapalladiumista bolometrin, joka oli erittäin vähäkohinainen eli siinä oli hyvin vähän lukusignaalin poukkoilua. Se oli kuitenkin edelleen liian hidas kvanttitietokoneiden kubittien mittaamiseen. Uusi läpimurto saavutettiin korvaamalla kultapalladium grafeenilla. Tätä varten tutkijat tekivät yhteistyötä professori Pertti Hakosen johtaman tutkimusryhmän kanssa, jolla on kokemusta grafeenipohjaisten laitteiden valmistuksesta.

”Kun valmistimme ilmaisimen grafeenista, siitä tuli sata kertaa nopeampi, vaikka kohinan taso pysyi samana. Näiden alustavien tulosten jälkeen voimme vielä tehdä paljon optimointia säteilyilmaisimen parantamiseksi”, kertoo Hakonen.

Vähemmän kohinaa

Kubittien energian mittaaminen on olennainen osa kvanttitietokoneiden toimintaa. Nykyisin useimmat kvanttitietokoneet määrittävät kubitin energiatilan mittaamalla siitä lähtevää jännitettä. Jännitteen mittaamiseen liittyy kuitenkin haasteita. Siihen vaaditaan suuria vahvistinpiirejä, jotka rajoittavat ratkaisun hyödyntämistä suuremmassa mittakaavassa. Lisäksi vahvistin kuluttaa paljon energiaa, ja jännitemittaukset sisältävät kvanttikohinaa, mikä aiheuttaa mittausvirheitä.

Grafeenin lämmönvarauskyky on alhainen, ja sen vuoksi grafeenista valmistettu terminen eli lämpöä mittaava säteilyilmaisin havaitsee hyvin pienet energianmuutokset nopeasti, alle mikrosekunnissa. Tutkijatohtori Antti Laitisen valmistama grafeenipala on lisäksi niin pieni, että se mahtuisi yksittäisen bakteerin sisään.

”Säteilyilmaisimen pieni koko on grafeenin kaksiulotteisuuden eli tasomaisen, vain yhden atomikerroksen paksuisen, rakenteen sekä viime vuosina kehitettyjen nanovalmistusmenetelmien ansiota”, nykyisin Harvardissa työskentelevä Laitinen kertoo.

Mittauksia suoritti väitöskirjaansa viimeistelevä tohtorikoulutettava Roope Kokkoniemi, joka työskentelee nykyisin kvanttitietokoneita rakentavassa IQM-yrityksessä.

”Säteilyilmaisimen suorituskykyä voidaan parantaa merkittävästi jo pelkästään paremmalla mittaustekniikalla”, sanoo Kokkoniemi.

Seuraavaksi tutkimusryhmä keskittyy parantamaan säteilyilmaisimen tarkkuutta entisestään ja käyttämään sitä kvanttisovelluksissa. Tutkimusyhteistyö liittyy Suomen Akatemian rahoittamaan Kvanttiteknologian huippuyksikköön (QTF) ja BOLOSE-anturikehitysprojektiin (RADDESS-ohjelma, 2018-2021).

Alkuperäisartikkeli:
R. Kokkoniemi, J.-P. Girard, D. Hazra, A. Laitinen, J. Govenius, R. E. Lake, I. Sallinen, V. Vesterinen, P. Hakonen, and M. Möttönen, Bolometer  operating  at  the  threshold  for  circuit  quantum electrodynamics, Nature (2020)

Linkki julkaisuun (toimii embargon poistuttua) https://www.nature.com/articles/s41586-020-2753-3

Kuva: Taiteellinen näkemys grafeenibolometrista, jota ohjataan sähkökentällä. Kuva: Heikka Valja.