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.
Katsoaksesi videon lähteestä www.youtube.com, anna hyväksyntä sivun yläosasta.Grafeenista tehty bolometri voi mullistaa kvanttiteknologian. Video on englanninkielinen ja sen julkaisun embargo on sama kuin itse tiedotteella (30.9.2020 klo 18)
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Mikko Möttönen
Professori, Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmän johtaja
Aalto-yliopisto ja VTT
puh. 050 594 0950
mikko.mottonen@aalto.fi
https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/quantum-computing-and-devices-qcd
Pertti Hakonen
Professori, NANO-tutkimusryhmän johtaja
Aalto-yliopisto
puh. 050 344 2316
pertti.hakonen@aalto.fi
https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/quantum-circuits-and-correlations-nano
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
Nimitys: Aalto-yliopiston kehitysjohtajaksi Raili Pönni26.3.2024 16:32:11 EET | Tiedote
Raili Pönni on toiminut aiemmin yliopiston suunnittelupäällikkönä ja väliaikaisena kehitysjohtajana.
Aalto-yliopisto erottui edukseen kansallisissa ja kansainvälisissä arvioinneissa vuonna 202321.3.2024 13:41:01 EET | Tiedote
Aalto-yliopiston hallitus hyväksyi kokouksessaan 19.3.2024 hallituksen toimintakertomuksen ja tilinpäätöksen vuodelta 2023. Vuonna 2023 Aalto-yliopisto erottui edukseen sekä kansallisissa että kansainvälisissä arvioinneissa ja yliopistovertailuissa. Keväällä yliopisto läpäisi Kansallisen koulutuksen arviointikeskuksen (Karvi) toteuttaman laatujärjestelmän auditoinnin ja sai arvion erinomainen kaikilta arviointialueilta. Aalto nousi Suomen ykköseksi kansainvälisen QS-rankingin kokonaisvertailussa ja oli koko maailmassa sijalla 109. Alakohtaisissa vertailuissa taide ja muotoilu oli sijalla 6 maailmassa. Times Higher Education arvioi Aalto-yliopiston maailman 53. kansainvälisimmäksi yliopistoksi ja maailman 40. parhaaksi nuoreksi (alle 50-vuotiaaksi) yliopistoksi. Suomen Akatemian vuosittaisessa Tieteen tila -arvioinnissa Aalto-yliopiston kaikki keskeiset tutkimusalat ylittävät julkaisutoimintansa vaikuttavuudessa top 10 -indikaattorilla arvioituna suomalaisten yliopistojen keskiarvon, ja
Taloustieteilijä: Vesivoiman luonnonvaravero toisi tuloja ja parantaisi ympäristön tilaa13.3.2024 08:45:00 EET | Tiedote
Luonnonvaravero olisi keino ohjata ympäristönsuojelusta aiheutuvia kuluja niin, etteivät ne koituisi yksin sähkönkuluttajien kontolle.
50 vuotta täyttävän radio-observatorion uudet teleskoopit valmistuivat – jatkossa saamme tarkempaa tietoa esimerkiksi aurinkokunnan liikkeestä Linnunradalla7.3.2024 11:30:00 EET | Tiedote
Teleskoopit avaavat uusia mahdollisuuksia monialaiseen avaruustutkimukseen ja -koulutukseen. Opiskelijoille on tarjoutunut ainutlaatuinen mahdollisuus suunnitella ja rakentaa monet teleskooppijärjestelmän keskeiset osat syöttötorvista antennien mekaniikkaan.
Tutkimus: Ihmisen toiminta ajanut maapallon makean veden kierron pois tasapainosta4.3.2024 12:00:00 EET | Tiedote
Ihmisen toiminta on muokannut rajusti makean veden kiertokulkua maailmanlaajuisesti esiteolliseen aikaan verrattuna.
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