Uusi kvantti-ilmaisin mittaa äärimmäisen pieniä energiamuutoksia

Kvanttitietokoneiden väitetään jo ratkaisseen ongelmia, jotka ovat perinteisten tietokoneiden ulottumattomissa. Esimerkiksi Google on osoittanut kvanttitietokoneen ratkaisevan laskutoimituksia huomattavasti supertietokonetta nopeammin. Kvanttifysiikan siirtäminen laboratorioista käytännön sovelluksiin on kuitenkin teknisesti haastavaa, ja kehityksen vauhdittamiseksi on ratkaistava vielä monia avoimia tutkimuskysymyksiä. Yksi näistä on lämpö ja sen käyttäytyminen kvanttimaailmassa.

Aalto-yliopiston ja Lundin yliopiston tutkijat esittelevät uudessa Nature Communications -lehdessä uuden, äärimmäisen herkän kvantti-ilmaisimen. Sillä voidaan mitata kvanttijärjestelmän lämpöenergiaa ja tutkia jatkossa kvanttitilojen, kuten kvanttitietokoneiden kubittien, vuorovaikutusta ympäröivän maailman kanssa. Vuorovaikutuksen mittaaminen edellyttää, että taustakohinan seasta pystytään havaitsemaan hädin tuskin erottuvia, äärimmäisen pieniä energiamuutoksia.

”Kvantti-ilmaisin eli kalorimetri imee itseensä kvanttitiloista säteilyä kuparilangalla, jonka paksuus on vain hiuksen tuhannesosa. Kalorimetrin tarkkuudelle on olemassa teoreettinen raja, jonka olemme saavuttamassa laitteellamme”, kertoo tohtorikoulutettava Bayan Karimi, joka työskentelee professori Jukka Pekolan vetämässä kvanttiteknologian huippuyksikössä.

”Kvanttitermodynamiikan alaa on näihin päiviin saakka hallinnut teoreettinen tutkimus, ja tärkeitä kokeita on alettu tehdä vasta hiljattain”, kertoo Pekola. Hän rakentaa ryhmänsä kanssa nanolaitteita, joiden avulla voidaan ratkaista kokeellisesti avoimia kvanttitermodynamiikan kysymyksiä.

Yksi kvanttifysiikan tutkimuksen haasteista on se, että mittaus voi aiheuttaa muutoksia mitattavissa kvanttitiloissa. Tilanne on sama kuin silloin, kun vesi, jonka lämpötilaa halutaan mitata, alkaisi kiehua, kun lasiin laitetaan lämpömittari. Siksi tutkimusryhmän oli rakennettava kvantti-ilmaisin, joka mittaa erittäin pieniä muutoksia vaikuttamatta mittauksen kohteena oleviin kvanttitiloihin.

Tutkimuksen kokeellinen osuus tehtiin kansallisessa mikro-, nano- ja kvanttiteknologioiden OtaNano-tutkimusinfrastruktuurissa. Pekolan ja Karimin lisäksi tutkimusryhmään kuuluivat Lundin yliopiston tutkijatohtori Fredrik Brange ja professori Peter Samuelsson. Tutkimusta rahoittavat Suomen Akatemia, Euroopan unionin tutkimuksen ja innovoinnin puiteohjelma Horisontti 2020 Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) ja Marie Skłodowska-Curie-toimien kautta, sekä ruotsalainen Vetenskapsrådet.Tohtorikoulutettava Bayan Karimi työskentelee myös eurooppalaisessa Marie Skłodowska-Curie -koulutusverkostossa.

Tutkimus julkaistiin Nature Communicationsissa 17. tammikuuta 2020, ja koko artikkelin voi lukea täällä.