Kvanttitieteilijät onnistuivat mittaamaan mikroaaltosäteilyn tehon ennennäkemättömällä tarkkuudella
Suurin osa kvanttitutkimuksesta tapahtuu äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa, jotka tutkijat saavuttavat kryostaateiksi kutsutuilla superpakastimilla. Myös kokeissa käytettävät energiamäärät ovat äärimmäisen pieniä: kyse voi olla jopa fotonia eli valohiukkasta pienemmästä määrästä energiaa. Kvanttitutkimuksessa tehotasot pitää pystyä mittaamaan äärimmäisellä tarkkuudella – ja samalla ottaa huomioon tutkijoiden suuri haaste, eli lämpöenergian vaikutus mittaustuloksiin.
Tehon mittaamiseen kvanttisovelluksissa käytetään bolometriksi nimettyä laitetta. Aalto-yliopiston ja VTT:n kvanttiteknologian professori Mikko Möttösen johtama tutkimusryhmä on jo aiemmin kehittänyt äärimmäisen tarkan bolometrin, mutta siihenkin liittyi enemmän epävarmuutta kuin tutkijat toivoivat. Vaikka tutkijat pystyivät havaitsemaan laitteella suhteellista tehotasoa, absoluuttista tehoa ei kuitenkaan kyetty tarkasti mittaamaan.
Nyt Aalto-yliopiston tutkijat yhteistyössä VTT:n sekä kvanttialan yritysten Blueforsin ja IQM:n kanssa ovat onnistuneet kehittämään nanolaitteen, jolla pystytään mittaamaan mikroaaltosäteilyn absoluuttista tehoa jopa femtowattiin asti äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa. Femtowatti on tasoltaan biljoonasosan tyypillisesti tarkkuusmittauksissa käytössä olevasta tehosta. Uusi laite voi siis mullistaa mikroaaltosäteilyn mittaamisen kvanttiteknologisissa sovelluksissa.
Tulokset julkaistiin torstaina Review of Scientific Instruments -lehdessä: https://doi.org/10.1063/5.0143761.
“Kiinnitimme bolometriin lämmittimen, johon voimme viedä tietyn määrän virtaa ja mitata sen aiheuttaman jännitteen. Koska tiedämme lämmittimeen menevän tehon määrän tarkasti, voimme kalibroida mikroaaltosäteilyn tehon sen perusteella. Tuloksena on itsekalibroituva bolometri, joka toimii äärimmäisen matalissa lämpötiloissa. Sen avulla voimme mitata absoluuttista tehoa kryogeenisissä lämpötiloissa”, Möttönen sanoo.
Blueforsin kvanttisovellusten johtaja Russell Laken mukaan uusi bolometri on merkittävä askel eteenpäin mikroaaltojen tehon mittaamisessa.
“Kaupalliset mittarit toimivat tyypillisesti yhden milliwatin mittakaavassa. Tämä bolometri sen sijaan mittaa tarkasti ja luotettavasti jopa yhden femtowatin tasolla tai jopa alle. Se on biljoonasosa tavanomaisissa mittaustekniikoissa käytetystä tehosta”, Lake toteaa.
“Tarkkoja tuloksia varten kubittien hallintaan tarkoitettujen kaapeleiden täytyy olla äärimmäisen kylmiä eli kokonaan ilman lämpöfotoneita tai ylimääräistä säteilyä. Tällä bolometrillä voimme nyt mitata kaapelien säteilyn tehon ilman, että esimerkiksi kubittipiirit häiritsevät tuloksia”, Möttönen jatkaa.
“Sensori on laajakaistainen, joka tarkoittaa, että voimme mitata tehotasoa hyvin eri taajuuksilla. Tämä ei ole itsestäänselvyys kvanttiteknologiassa, sillä usein sensorit toimivat vain erittäin kapealla spektrillä”, sanoo Jean-Philippe Girard, Blueforsin tutkija, joka aiemmin työskenteli laitteen parissa Aallossa.
Hyötyä sekä yliopistojen että yritysmaailman kvanttiammattilaisille
Tutkijoiden mukaan uusi bolometri on huima harppaus eteenpäin kvanttiteknologialle.
“Mikroaaltojen mittaamista tehdään muun muassa langattomassa viestinnässä ja tutkateknologioissa. Näillä aloilla on omat keinonsa tehdä erittäin tarkkoja mittauksia, mutta aiemmin ei ollut mitään vastaavaa keinoa kvanttiteknologian alalla. Bolometri on kehittynyt diagnostinen väline, joka on tähän asti puuttunut kvanttiteknologian työkalulaatikosta,” Lake sanoo.
Kehitystyö on Aallon ja Blueforsin yhteistyön tulosta. Laite kehitettiin Aallon Kvanttilaskennan ja -laitteiden ryhmässä, joka kuuluu Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikkö QTF:ään. Tutkijat käyttivät Micronovan puhdashuoneita, jotka kuuluvat kansalliseen OtaNano-tutkimusinfrastruktuuriin. Ensimmäisten Aallolla tehtyjen kokeiden jälkeen Bluefors on myös testannut laitetta onnistuneesti.
“Se osoittaa, että laite ei ole vain satunnainen onnistuminen yliopiston labrassa, vaan jotain mistä sekä akateemiset että yritysmaailman kvanttiammattilaiset voivat hyötyä”, Möttönen sanoo.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Mikko Möttönen
Professori, Aalto-yliopisto ja VTT
+358 50 594 0950
mikko.mottonen@aalto.fi
https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/quantum-computing-and-devices-qcd
Russell Lake
Kvanttisovellusten johtaja, Bluefors
+358 45 188 7971
russell.lake@bluefors.com
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
Kuinka helpottaa tekstin näpyttelyä puhelimella? Tutkijat loivat ensi kertaa ihmisen tekstinsyöttöä simuloivan tekoälymallin18.4.2024 08:45:00 EEST | Tiedote
Malli auttaa ymmärtämään, mitkä tekijät sujuvoittavat ja mitkä puolestaan vaikeuttavat puhelimen näpyttelyä erilaisilla käyttäjäryhmillä.
EMBARGO: Tutkimus selvitti ilmastonmuutoksen vaikutusta tundralla: lämpeneminen voi lisätä hiilen vapautumista hälyttävästi17.4.2024 18:00:00 EEST | Tiedote
Tutkimuksessa havaittiin, että ilman ja maaperän lämpeneminen sekä maaperän kuivuminen lisäsi hiilen vapautumista tundran ekosysteemistä.
Kuivuus on uhka runsaiden vesivarojen Suomessakin16.4.2024 13:15:00 EEST | Tiedote
Suomessa on yhä alhainen riski kuivuudelle, mutta viime vuosikymmenien kuivista kausista on kuitenkin aiheutunut vakavia vaikutuksia etenkin maataloudelle ja vesihuollolle.
Fyysikot onnistuivat selittämään tuntemattoman voiman, joka kiskoo vesipisaroita huippuliukkailla pinnoilla16.4.2024 08:45:00 EEST | Tiedote
Tulokset auttavat kehittämään aiempaa liukkaampia pintoja, jollaisia hyödynnetään esimerkiksi lääketeollisuudessa ja liikenteessä.
EMBARGO 11.4.2024 KLO 13.00: Bioinspiroituja värejä ja olosuhteisiin sopeutuvia materiaaleja – Professori Olli Ikkalan kolmas EU-hanke pohjaa eläviin systeemeihin11.4.2024 13:00:00 EEST | Tiedote
Teknillisen fysiikan professori Olli Ikkala saa inspiraation tutkimukseensa luonnon materiaaleista ja toisinaan myös barokkimusiikista.
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