Kuuma tulos Aalto-yliopistosta: Tutkijat keksivät, miten kvanttitietokone saadaan jäähdytettyä

Läpimurto lisää kvanttilaskennan luotettavuutta.
Kirsi Heikkinen
Tiede 9.5.2017 14:17

Jos kvanttitietokonetta vertaisi Usain Boltiin, maailman nopeimpaan ihmiseen, nykyiset tietokoneet olisivat kuin vastasyntyneitä vauvoja.

Siinä missä sinunkin älylaitteidesi tietojenkäsittely perustuu bitteihin, jotka voivat olla joko ykkösiä tai nollia, kvanttibitit eli kubitit voivat olla samanaikaisesti molempia. Siksi kvanttitietokone pystyy suoriutumaan sellaisistakin laskuista, jotka nykylaitteille ovat mahdottomia.

Tosin suorituskyky on vielä todentamatta, sillä kvanttitietokoneesta on saatu aikaan vasta pikkuisia prototyyppejä. Kehitystä on jarruttanut muun muassa se, että kubitit ovat äärimmäisen herkkiä ulkoisille häiriöille. Ne joudutaan eristämään kaikesta mahdollisesta.

Kvanttitietokoneeseen ei voi esimerkiksi jättää ilma-aukkoja tai asentaa tuuletinta. Suljetussa tilassa hyrräävät kubitit kuumenevat vääjäämättä, eikä niitä kyetä nollaamaan laskelmia varten. Kun ne eivät toimi oikein, niiden avulla saatuihin tuloksiin ei voi luottaa.

Nyt kvanttifyysikko Mikko Möttönen ryhmineen Aalto-yliopistosta keksi, miten kubitit saadaan pidettyä viileinä. Nature Communications -lehdessä esitelty kvanttipiirijäähdytin on maailman ensimmäinen laatuaan.

”Se oli Heureka-hetki.”

Keksintö sai alkunsa puolivahingossa, kun tutkijaryhmässä työskentelevä tutkijatohtori Kuan Yen Tan tarkasteli lämmön siirtymistä kubitin kaltaisen värähtelijän läpi.

”Saimme kummallisia lämpölukemia. Tarkempi testaus osoitti, että laitteemme itse asiassa imee lämpöä fotoneina sitä ympäröivästä kvanttipiiristä! Se oli Heureka-hetki”, Tan kertoo.

Ilmiö nojaa yksittäisten elektronien tunneloitumiseen ultraohuen eristeen läpi. Jos ne tarvitsevat tähän ponnistukseen lisää energiaa, ne ryöväävät sitä läheiseltä kvanttilaitteelta. Samalla laite viilenee.

Jäähdytys tapahtuu niin kutsutussa tunneliliitoksessa. Siinä on suprajohtavaa alumiinia, jonka päällä on pari nanometriä alumiinioksidia ja sen päällä normaalijohtavaa kuparia.

Tunneliliitos on hyvin pieni, vain 150 x 150 nanometriä. ”Alue on noin tuhannesosa ihmisen hiuksen läpimitasta”, Tan vertaa.

”Pyrimme korkeaan laatuun emmekä suureen määrään.”

Seuraavaksi tutkijat aikovat jäähdyttää oikeita kvanttibittejä, laskea jäähdyttimellä saavutettavaa minimilämpötilaa ja rakentaa on/off-kytkimestä supernopean. Jäähdytys nimittäin sammuu, kun ulkoinen jännite pudotetaan nollaan.

Työ on hyvässä vauhdissa, Tan kertoo.

”Olemme puolivälissä kokeen valmisteluprosessia, eli kytkemme paraikaa kubitteja kvanttipiirijäähdyttimiin. Odotamme saavamme tuloksia lähikuukausina. Jännittäviä aikoja edessä!”

Kvanttipiirijäähdytin on uusi hieno sulka Möttösen ryhmän tohtorinhattuihin. Niitä on kertynyt jo useita.

Viime vuonna Möttönen kollegoineen esimerkiksi siirsi lämpöä maksimaalisen tehokkaasti kymmenentuhatta kertaa pitemmälle kuin kukaan muu on koskaan kyennyt.

Kolme vuotta sitten ryhmä onnistui luomaan synteettisen magneettisen monopolin, jota pidettiin mahdottomana toteuttaa.

Miten ihmeessä pystytte tykittämään näin mullistavia tuloksia ilmoille jatkuvasti?

”Ryhmän tekee hyväksi ryhmän jäsenet, eli suurin kiitos kuuluu jatko-opiskelijoille ja tutkijatohtoreille. Minä kannustan heitä kunnianhimoisiin tavoitteisiin”, Mikko Möttönen vastaa. ”Pyrimme korkeaan laatuun emmekä suureen määrään.”

”Myös monet muut Aallon ryhmät tekevät hyvää tulosta, mutta eivät välttämättä puhu niistä niin paljon kuin me puhumme omistamme.”