Erittäin tarkkaa anturiteknologiaa kvanttibittien ja koneoppimisen avulla
Minkä tahansa asian mittaamisessa tarkkuudella on rajansa. Esimerkiksi röntgenkuvat ovat melko epäselviä, ja vain asiantunteva lääkäri pystyy tulkitsemaan niitä kunnolla. Kudosten välinen kontrasti on sangen heikko, mutta sitä voisi parantaa pidentämällä altistusaikaa, lisäämällä säteiden tehoa tai ottamalla lukuisia kuvia. Se on kuitenkin mahdotonta, koska ihmisen voi turvallisesti altistaa röntgensäteille vain rajallisen ajan ja määrän. Kuvien ottaminen taas vie aikaa ja resursseja.
Yleinen nyrkkisääntö mittaustarkkuudelle on niin sanottu kvanttiraja: tarkkuus paranee käänteisesti suhteessa käytettävissä olevien resurssien neliöjuureen. Toisin sanoen, mitä enemmän resursseja – aikaa, säteilytehoa, kuvien määrää – käytetään, sitä tarkempia mittaukset ovat. Loputtomia resursseja ei kuitenkaan ole olemassa.
Aalto-yliopiston, Zürichin teknillisen yliopiston (ETH) ja Moskovan MIPT:n ja Landau-instituutin tutkijoiden ryhmä on kuitenkin yrittänyt luoda poikkeuksen nyrkkisääntöön ja kehittänyt tavan mitata magneettikenttiä kvanttijärjestelmän avulla. Heidän magnetometrillään on mahdollista ylittää tarkkuuden kvanttiraja.
Arvostetussa npj Quantum Information -lehdessä julkaistussa artikkelissaan ryhmä osoittaa, miten magneettikentän mittaamisen tarkkuutta voidaan parantaa hyödyntämällä suprajohtavan keinotekoisen atomin, kvanttibitin, häiriötöntä tilaa. Ryhmän käyttämä kvanttibitti eli kubitti on erittäin pieni laite, joka on tehty piisirun päällä höyrystetyistä alumiiniliuskoista. Valmistustapa muistuttaa älypuhelinten ja tietokoneiden prosessorien valmistuksessa käytettävää tekniikkaa.
Magneettikenttien tarkka havaitseminen on tärkeää monilla aloilla geologisesta etsinnästä aivotoiminnan kuvantamiseen. Tutkijoiden mukaan heidän tuloksensa ovat ensi askel kvanttitehostettujen menetelmien käytölle sensoriteknologiassa.
”Halusimme rakentaa tehokkaan ja mahdollisimman vähän kohteeseen kajoavan mittaustekniikan. Esimerkiksi herkkiin kudosnäytteisiin on joko käytettävä mahdollisimman matalia tehoja tai mahdollisimman lyhyttä mittausaikaa”, Aalto-yliopiston Kvantti-tutkimusryhmän johtaja Sorin Paraoanu selittää.
Kun kvanttilaite jäähdytetään erittäin matalaan lämpötilaan, sähkövirta virtaa laitteessa ilman vastusta, ja laitteen kvanttimekaaniset ominaisuudet alkavat muistuttaa oikeiden atomien ominaisuuksia. Kun kvanttibittiä säteilytetään mikroaaltopulssilla – samantapaisella kuin tavallisessa mikroaaltouunissa – sen tila muuttuu. Muutos taas riippuu käytetystä ulkoisesta magneettikentästä: kvanttibittiä mittaamalla voidaan mitata myös magneettikenttää.
Kvanttirajan ylittämiseksi on kuitenkin tehtävä vielä yksi temppu: ottaa avuksi hahmontunnistukseksi kutsuttu koneoppimisen menetelmä.
”Teemme ensin mittauksen ja annamme sen jälkeen hahmontunnistusalgoritmin päättää tuloksen perusteella, miten parametreja pitää muuttaa, jotta magneettikentästä saadaan nopein arvio”, kertoo Andrey Lebedev, joka on osallistunut tutkimuksen tekemiseen Zürichin teknillisessä yliopistossa ja työskentelee nyt Moskovan MIPT:ssä.
”Työmme on hyvä esimerkki käytännön kvanttiteknologiasta: yhdistämällä kvantti-ilmiö koneoppimiseen perustuvaan mittaustekniikkaan magnetometrin herkkyys paranee niin, että se rikkoo kvanttirajan”, Lebedev sanoo.
Aalto-yliopiston tutkijoiden työtä on tehty osana Teknillisen fysiikan laitoksen Centre for Quantum Engineering -keskuksen QMETRO-projektia sekä Suomen Akatemian kvanttiteknologian kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland. Kokeellisen tutkimuksen mahdollisti kansallinen tutkimusinfrastruktuuri OtaNano.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Gheorghe-Sorin Paraoanu
Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
Kvantti-tutkimusryhmä
sorin.paraoanu@aalto.fi
puh. 050 344 2650
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