Aalto-yliopiston tutkijat loivat materiaalin, joka voi mahdollistaa uudenlaisen kvanttitietokoneen

Kvanttispinnesteen valmistaminen onnistui Aallon kemistien tekemän työn johdosta.
Tiede 20.3.2018 15:33

Tutkimuksessa käytetty muon spin -spektrometri Paul Scherrer Institute -laitoksessa Sveitsissä. © Otto Mustonen

Kvanttitietokoneen rakentaminen on tietokonealan tutkijoiden suuri päämäärä. Tällainen laite suorittaa tietokoneen laskutoimituksia käyttäen kvanttimekaniikan erikoisuuksiin perustuvia kvanttibittejä, eli kubitteja.

Kvanttitietokone on tällä hetkellä vain teoriaa ja epätäydellisiä prototyyppejä, mutta läpimurtoja tehdään jatkuvasti.

Suomen Kuvalehti uutisoi hiljattain Googlen rakentamasta Bristlecone-kvanttisuorittimesta ja australialaistutkijoiden kokeellisesta kvanttibitistä.

Alan uusimman merkkipaalun on saavuttanut kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johtivat tutkijat Suomen Aalto-yliopistosta.

Suomalaistutkijat onnistuivat luomaan kvanttispinnesteenä tunnettua materiaalia, joka voi mahdollistaa niin kutsutun topologisen kvanttitietokoneen rakentamisen tulevaisuudessa.

 

Topologinen kvanttitietokone eroaa merkittävästi ”tavallisesta” kvanttitietokoneesta, joita esimerkiksi Googlen Bristlecone edustaa, kertoo uutta tutkimusta johtanut Aalto-yliopiston tohtorikoulutettava Otto Mustonen.

”Perinteisessä kvanttitietokoneessa laskutoimitukset suoritetaan lomittuneiden hiukkasten avulla, toisin sanoen kubitit koostuvat hiukkasista. Näiden pitäminen lomittuneena keskenään on hankalaa ja aiheuttaa virheitä,” Mustonen kertoo.

”Näiden virheiden määrä rajoittaa kvanttitietokoneen kokoa, eli lomittuneiden kubittien määrää. Mitä enemmän kubitteja, sitä korkeampi laskentateho.”

Topologinen kvanttitietokone voisi Mustosen mukaan ratkaista tämän ongelman, sillä sen kubitit pysyisivät paremmin kurissa ja tekisivät vähemmän virheitä. Virheiden vähentyessä kvanttitietokoneet voisivat päihittää perinteiset supertietokoneet.

”Topologinen kvanttitietokone on toimintaperiaatteeltaan erilainen kuin tavallinen kvanttitietokone. Siinä kubitit koostuvat vuorovaikuttavista viritystiloista, joita voidaan kuvata hiukkasina,” Mustonen sanoo.

”Kubitit eivät tällöin koostu toisiinsa lomittuneista ’oikeista’ hiukkasista vaan virtuaalisista hiukkasista.”

Mustosen mukaan tällaiset virtuaaliset hiukkaset, jotka tunnetaan myös kvasihiukkasina, voivat muodostua kvanttispinnesteen viritystiloista. Niitä voitaisiin käyttää tulevaisuuden kvanttitietokoneen kubitteina.

”Paperilla topologisesta kvanttitietokoneesta voisi rakentaa erittäin tehokkaan, mutta se on olemassa vasta sillä paperilla. Kukaan ei ole vielä onnistunut rakentamaan tällaista laitetta,” Mustonen sanoo.

”Nyt havaittua kvanttispinnestettä voisi periaatteessa käyttää topologisessa kvanttitietokoneessa, mutta tämä vaatii vielä vuosien työn.”

 

Kvanttispinnesteen luomisessa onnistuttiin Aallon kemistien tekemän työn johdosta. Valmistamisen mahdollisti suomalaistutkijoiden kehittämä uusi tapa räätälöidä magneettisten materiaalien ominaisuuksia.

”Käytännössä räätälöinti tarkoittaa sitä, että tekemällä pieniä muutoksia materiaalin koostumukseen voidaan merkittävästi, tai tässä tapauksessa kokonaan, muuttaa materiaalin magneettista käyttäytymistä,” Mustonen sanoo.

Suomalaistutkijat loivat kvanttispinnesteen, mutta sen todistamisessa tarvittiin kansainvälistä apua. Kvanttispinneste todennettiin sveitsiläisen Paul Scherrer Institute -tutkimulaitoksen laitteistolla.

Kvanttispinneste havaittiin muon spin -spektroskopialla, jossa tutkimusmateriaalia pommitetaan myoni-nimisillä alkeishiukkasilla. Näin voidaan havaita kvanttimateriaalien erittäin heikkoja magneettikenttiä.

”Huippuluokan laitteiden lisäksi tutkimus vaatii myös kemistien ja fyysikoiden välistä saumatonta yhteistyötä”, kertoo Aalto-yliopiston professori Maarit Karppinen.

”Samanlaista kansainvälistä monitieteistä lähestymistapaa tarvitaan jatkossakin, jotta nyt vauhtia saanut kvanttispinnesteiden tutkimus johtaisi meidät topologisen kvanttitietokoneen jäljille.”

 

Kvanttispinnesteeksi kutsutun eksoottisen kvanttitilan teoreettisen mahdollisuuden esitti ensimmäistä kertaa fysiikan nobelisti Paul W. Anderson jo vuonna 1987.

Andersonin mukaan materiaali mahdollistaisi korkean lämpötilan suprajohtavuuden, eli sähkövastuksen katoamisen absoluuttista nollapistettä suuremmissa lämpötiloissa. Tällaisilla korkean lämpötilan suprajohtavilla materiaaleilla on valtavasti käyttötarkoituksia.

Kvanttispinneste ei ole nestettä sanan varsinaisessa merkityksessä. Sen sijaan kyseessä on vaikeasti arkitermein kuvattava alkeishiukkasten tila, jossa hiukkasten magneettiset momentit käyttäytyvät nesteen tavoin.

Tässä eksoottisessa tilassa ne eivät jähmety edes absoluuttisessa nollapisteessä, joka on kylmin mahdollinen fysiikan lakien sallima lämpötila.

Tutkimusartikkeli julkaistiin Nature Communications -lehdessä. Sen tekemiseen osallistui aaltolaisten lisäksi tutkijoita Brazilian Center for Research in Physics (CBPF) -laitoksesta, Braunschweigin teknillisestä yliopistosta Saksasta ja Nagoyan yliopistosta Japanista.