Laatua ja luotettavuutta kvanttitietokoneen kehittämiseen

Aalto-yliopiston professori Mikko Möttönen on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC) kaikkiaan neljännen hankerahoituksen - tällä kertaa kvanttitietokoneiden tutkimusta varten. Kvanttitietokoneiden kaupallisen käytön edellytyksinä on kolme tärkeää osa-aluetta: kvantti-informaation prosessointi, sen lukeminen sekä häviöiden hallinta. Kvantti-informaatio tuhoutuu, jos järjestelmässä on energiahäviöitä. Toisaalta kvanttitietokoneet tarvitsevat häviöitä toimiakseen tehokkaasti.

Uudessa SCAR-hankkeessa (Scalable Fabrication Process for Quantum-Circuit Refrigerators) on tavoitteena kehittää kvanttiprosessoreiden osana olevien kvanttipiirijäähdyttimien luotettavuutta ja soveltamismahdollisuuksia. Tavoitteena on pystyä lopulta osoittamaan, että kvanttipiirijäähdyttimen avulla voidaan hallita häviöitä luotettavasti.

”Tulemme valmistamaan elektronipiirturilla 10 000 kvanttipiirijäähdytintä eli tunneliliitosta, joiden kokoluokka on noin sata nanometriä. Käymme systemaattisesti läpi, mikä vaikuttaa valmistusprosessin laatuun ja sen tasaisuuteen. Näitä tekijöitä voivat olla esimerkiksi uudet puhdistusmenetelmät ja liitoksessa käytetyt materiaalivaihtoehdot”, Mikko Möttönen sanoo.

Puhdistamisen yksi tavoite on, etteivät ei-toivotut atomit ja molekyylit pääse kulkeutumaan liitoksiin ja näin muuttamaan niiden ominaisuuksia ajan kuluessa.

”Puhdistusmenetelmissä on vaihtoehtoina esimerkiksi vetyfluorihappo, jolla voidaan puhdistaa hyvin tehokkaasti piin pintaa. Mutta se on melko äkäinen menetelmä, liitokset ja niiden valmistamisessa käytettävät maskit eli kuvioinnit piikiekon pinnalla eivät välttämättä kestä sitä.”

Materiaaleista alumiinia on käytetty liitoksessa suprajohteena eikä sitä ole tarpeen vaihtaa. Tavanomaisena metallina on käytetty esimerkiksi kuparia, ja sen tilalla voidaan kokeilla kultapalladiumseosta yhtenä vaihtoehtona.

Mikko Möttösellä on kahden miljoonan euron ERC Consolidator Grant -rahoitus vuosille 2017-2021. Uusi SCAR-hanke tukee samalla kotimaisen kvanttiekosysteemin rakentumista, johon Aallon lisäksi kuuluvat muiden muassa VTT ja useita kvanttiteknologian alan yrityksiä.

”Kvanttipiirijäähdytin keksittiin ryhmässäni muutama vuosi sitten, ja sitä kehitetään edelleen muissa tutkimushankkeissa. Tavoitteenamme on lopulta pystyä hallitsemaan häviöitä äärimmäisen tarkasti reaaliajassa”, kertoo Mikko Möttönen.

Tutkimus tehdään Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmässä, joka on osa kvanttitutkimuksen kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland (QTF). Tutkimusryhmä hyödyntää tutkimuksessaan kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria.