EMBARGO 8.5.2017 klo 12 Suomen aikaa: Suomalaistutkijat löysivät ratkaisun kvanttitietokoneen jäähdytykseen

Maailmanlaajuinen kilpajuoksu kohti toimivaa kvanttitietokonetta kiihtyy. Kvanttitietokoneella pystymme tulevaisuudessa ratkomaan muuten mahdottomia ongelmia ja kehittämään esimerkiksi monimutkaisia lääkkeitä, lannoitteita tai vaikka tekoälyä.

Tiedelehti Nature Communicationsissa tänään julkaistu tutkimustulos kertoo, miten kvanttilaskennassa voidaan poistaa haitallisia virheitä. Tämä on uusi käänne kohti toimivaa kvanttitietokonetta.

Kvanttitietokonekin tarvitsee jäähdyttimen

Kvanttitietokoneet poikkeavat käytössämme olevista koneista niin, että ne laskevat tavallisten bittien sijaan kvanttibiteillä eli kubiteilla. Kun läppärissäsi rouskuttavat bitit ovat nollia tai ykkösiä, kubitti voi olla samanaikaisesti molemmissa tiloissa. Kubittien muuntautumiskyky on monimutkaisten laskujen edellytys, mutta se tekee niistä myös herkkiä ulkoisille häiriöille.

Kuten tavalliset sähkölaitteet, myös kvanttitietokone tarvitsee mekanismin viilentymiseen. Yhdessä laskussa saatetaan tulevaisuudessa käyttää tuhansia tai jopa miljoonia loogisia kubitteja, ja jotta laskutoimituksesta saadaan oikea tulos, pitää jokainen niistä nollata laskun alussa. Jos kubitit ovat liian kuumia, nollaus ei onnistu, koska ne hyppivät liikaa eri tilojen välillä. Tähän Möttönen ryhmineen on kehittänyt ratkaisun.

Jäähdytin tekee kvanttilaitteista luotettavampia

Aalto-yliopiston tutkijaryhmän kehittämä nanokokoinen jäähdytin ratkaisee jättimäisen haasteen: sen avulla lähes kaikki sähköiset kvanttilaitteet voidaan alustaa nopeasti. Näin laitteista tulee tehokkaampia ja luotettavampia.

“Olen työstänyt tätä laitetta viisi vuotta ja vihdoinkin se toimii!”, riemuitsee Möttösen ryhmässä tutkijatohtorina työskentelevä Kuan Yen Tan.

Tan jäähdytti kubitin kaltaista värähtelijää hyödyntämällä yksittäisten elektronien tunneloitumista vain kahden nanometrin paksuisen eristekerroksen läpi. Hän antoi elektronille ulkoisella jännitelähteellä hieman liian vähän energiaa suoraa tunneloitumista varten. Siksi elektroni kaappaa tunneloitumiseen tarvitsemansa lisäenergian läheiseltä kvanttilaitteelta ja siksi laite viilenee. Jäähdytyksen voi kytkeä pois päältä säätämällä ulkoisen jännitteen nollaan. Silloin edes kvanttilaitteen luovutettavissa oleva energia ei riitä puskemaan elektronia eristeen läpi.

“Meidän laitteella saadaan kvantit kuriin”, Mikko Möttönen kiteyttää.

Seuraavaksi tutkijat aikovat jäähdyttää ihan oikeita kvanttibittejä, laskea jäähdyttimellä saavutettavaa minimilämpötilaa ja rakentaa sen on/off-kytkimestä supernopean.

Kiitokset

Tutkijat kiittävät rahoituksesta Euroopan tutkimusneuvostoa (ERC) Starting Independent Researcher Grant -apurahasta SINGLEOUT (278117) ja Consolidator Grant -apurahasta QUESS (681311), Suomen Akatemiaa COMP-huippuyksikkörahoituksesta (251748 ja 284621) sekä apurahoista (135794, 272806, 265675, 276528, 286215 ja 305306), Emil Aaltosen säätiötä, Jenny ja Antti Wihurin rahastoa ja Suomen kulttuurirahastoa. Tutkijat kiittävät myös Aalto-yliopiston OtaNano – Micronovaa nanovalmistuksen tutkimusinfrastruktuurista.

Tutkimusartikkeli:

Kuan Yen Tan, Matti Partanen, Russell E. Lake, Joonas Govenius, Shumpei Masuda ja Mikko Möttönen. Quantum-Circuit Refrigerator. Nature Communications 8, DOI:10.1038/ncomms15189

Linkki artikkeliin: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms15189 (aktivoituu 8.5.2017)

Tämä tutkimusartikkeli tulee mainita informaation lähteenä. Ennen julkaisukiellon raukeamista tutkimustulokset ovat saatavilla osoitteessa https://arxiv.org/abs/1606.04728

Video:
https://www.youtube.com/watch?v=l4OZP71IHTs

Katso video, jossa kvanttifyysikot selittävät jäähdyttimen toimintaperiaatteen kahdessa minuutissa pulkan ja avannon avulla. Videota saa käyttää maksutta tähän tutkimukseen liittyvissä uutisissa embargon rauettua.

Täysresoluutioiset kuvat ladattavissa Aalto-yliopiston kuvapankista:
http://materialbank.aalto.fi:80/public/0b530bb4c81E.aspx

Kuvia saa käyttää maksutta tähän tutkimukseen liittyvissä uutisissa.

Kuvatekstit

Kuva 1. Taiteellinen näkemys kvanttipiirijäähdyttimestä toiminnassaan. Kun elektroni tunneloituu, se samalla kaappaa fotonin kvanttilaitteelta, mikä johtaa laitteen jäähtymiseen. Kuva: Heikka Valja (Huom. Kuvaa saa tarvittaessa rajata vaakaan ja peilata).

Kuva 2. Valokuva senttimetrin kokoisesta piisirusta, jossa on rinnakkain kaksi suprajohtavaa värähtelijää ja niihin kytketyt kvanttipiirijäähdyttimet. Kuva: Kuan Yen Tan

Kuva 3. Taiteellinen näkemys kvanttipiirijäähdyttimestä toiminnassa. Kuva: Riikka-Maria Partanen

Kuva 4. Matti Partanen (vas.) ja Kuan Yen Tan (oik.) avaamassa kryostaattia, eli superpakastinta, jolla kvanttilaitteen ja kvanttipiirijäähdyttimen sisältävä piisiru jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto

Kuva 5. Kuan Yen Tan tekemässä mittauksia Kvanttilaskennan ja -laitteiden laboratoriossa Aalto-yliopistossa. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto

Kuva 6. Kuan Yen Tan (vas.) ja Mikko Möttönen (oik.). Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto

Kuva 7. Kuan Yen Tan. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto

Kuva 8. Mikko Möttönen. Kuva: Niki Strbian