Otaniemen fyysikoiden läpimurto auttaa kvanttitietokoneiden kehittämisessä

Tutkijat saivat lämmön johtumaan huipputehokkaasti 10 000 kertaa pidemmälle kuin aiemmin.

tiede
Teksti
Marko Hamilo

Tämä on ilmaisnäyte SK:n maksullisesta sisällöstä

Uudentyyppisten, supertehokkaiden kvanttitietokoneiden kehittäminen edellyttää tehokasta viilentämistä. Aalto-yliopiston tutkija Mikko Möttösen johtaman tutkijaryhmän läpimurron ansiosta supertehokkaiden kvanttitietokoneiden kehitys voi ottaa jättiharppauksen.

Nature Physics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Möttönen kollegoineen osoittaa, että he ovat onnistuneet siirtämään lämpöä maksimaalisen tehokkaasti kymmenentuhatta kertaa pidemmälle kuin koskaan aikaisemmin.

Lämmön johtuminen on yksi fysiikan perusilmiöistä, johon perustuu tavallisenkin tietokoneen prosessorin lämmön siirtyminen tuulettimelle, joka sitten siirtää lämpöä edelleen pois koneesta. Möttösen ryhmä tutki niin sanottua kvanttirajoittunutta lämmönjohtumista, jossa lämpö siirtyy mahdollisimman tehokkaasti paikasta A paikkaan B.

Kvanttitietokoneiden kehittäjille uutinen on riemastuttava, sillä kvanttitietokoneen tehokas toiminta edellyttää, että sitä voidaan viilentää tehokkaasti. Samaan aikaan kone on hyvin herkkä ulkoisille häiriöille. Möttösen innovaatio auttaa viilentämään kvanttitietokonetta tehokkaasti, mutta niin ovelasti, että se ei häiritse koneen muuta toimintaa.

“Tutkimuksemme alkoi jo vuonna 2011 ja eteni pikkuhiljaa. Tuntuu todella hienolta vihdoin saavuttaa tieteellinen läpimurto, jolla on oikeita käytännön sovellutuksia”, hän iloitsee.

Möttösen tutkimusryhmä sai kokeissaan lämmön siirtymään kvanttirajoitteisesti metrin verran, kun aikaisemmin tällainen lämmönsiirtyminen on saatu mitattua ainoastaan hiuksen paksuutta vastaavalta matkalta.

“Kun puhutaan tietokoneen prosessorista, metri on valtavan pitkä matka. Ei kukaan haluaa rakentaa suurempaa prosessoria”, Möttönen korostaa.

Ensimmäinen oivallus oli käyttää lämmön kuljettamiseen fotoneita. Aiemmin kokeita on tehty esimerkiksi elektronien avulla.

“Tiedämme, että fotonit voivat kuljettaa lämpöä pitkiä matkoja. Tuovathan ne auringon lämmönkin maan pinnalle”, Möttönen kertoo.

Fotonien kuljettamiseen keksittiin käyttää sähkövastuksetonta linjaa. Tämä suprajohtava linja rakennettiin neliösenttimetrin kokoisen piisirun päälle. Linjan päihin asetettiin vastukset, joiden lämpötilavaihtelua mittaamalla tutkimustulokset saatiin aikaiseksi.

Tutkijat pystyivät kokeissaan osoittamaan, että kvanttirajoittunut lämmönjohtuminen on mahdollista pitkien matkojen päähän. Tämä mahdollistaa ilmiön hyödyntämisen laboratorioiden ulkopuolella. Tutkimusryhmän rakentama laite mullistaa siis perustavanlaatuisesti sen, miten lämmönjohtumista voidaan hyödyntää käytännössä.

Tutkimusprosessista on englanninkielinen video Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances.