Uutiset

Kvanttifyysikot onnistuivat energian häviöiden ja siirtymien hallinnassa

Saavutus on tärkeä askel kvanttitietokoneiden toteuttamisessa ja fysiikan ymmärtämisessä.
Artictic impression of a quantum resonator coupled to environmental modes
Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisesta värähtelijästä kytkettynä ympäristöönsä. Kuva: Heikka Valja.

Kubittien eli kvanttibittien tulee säilyttää energiatilansa mahdollisimman pitkään, jotta kvanttilaitteilla voidaan ratkaista käytännön kannalta tärkeitä ongelmia. Jos järjestelmässä on energiahäviöitä, kubitti muuttuu itsestään tilasta 1 tilaan 0, ja kvantti-informaatio tuhoutuu. Siksi tutkijat ympäri maailmaa ovat yrittäneet poistaa kvanttilaitteista energiahäviöt mahdollisimman hyvin.

Aalto-yliopiston dosentti Mikko Möttönen on lähestynyt tutkimusryhmänsä kanssa haastettapäinvastaisesta näkökulmasta.

“Ymmärsimme jo vuosia sitten, että kvanttitietokoneet tarvitsevat häviöitä toimiakseen tehokkaasti. Kaikkia häviöitä ei pidä poistaa, vaan olennaista on pystyä hallitsemaan niitä.”

Artistic impression of a superconducting resonator coupled with its quantum-mechanical environment. Image: Heikka Valja.

Tänään Nature Physics -lehdessä julkaistavassa artikkelissaan Aalto-yliopiston ja Oulun yliopiston tutkijat osoittavat kokeellisesti, kuinka he voivat halutessaan nopeuttaa häviöitä tuhatkertaisiksi korkealaatuisessa suprajohtavassa värähtelijässä. Värähtelijöitä käytetään kvanttitietokoneissa.

“Kehittämämme kvanttipiirijäähdytin mahdollistaa häviöiden hallinnan. Tätä tarvitaan tulevaisuuden kvanttitietokoneiden rakentamisessa,” Möttönen sanoo.

Photo of a centimeter-sized silicon chip, which has two parallel superconducting resonators and quantum-circuit refrigerators connected to them. Image: Kuan Yen Tan.
Valokuva senttimetrin kokoisesta piisirusta, jossa on rinnakkain kaksi suprajohtavaa värähtelijää ja niihin kytketyt kvanttipiirijäähdyttimet. Kuva: Kuan Yen Tan.

Artikkelin pääkirjoittajan Matti Silverin mukaan vielä merkittävämpi tutkimustulos löytyi kuitenkin yllättäen.

“Havaitsimme, että värähtelijän taajuus siirtyi, kun kytkimme häviöt päälle. Tämä löydös vei meidät aikamatkalle 70 vuoden taakse, jolloin nobelisti Willis Lamb teki ensimmäiset mittauksensa vetyatomin energiatilojen pienistä siirtymistä. Tämä on ensimmäinen kerta, kun ilmiö on kokeellisesti havaittu rakennetuissa kvanttisysteemeissä.”

Lambin tulokset olivat aikoinaan vallankumouksellisia. Ne osoittivat, ettei pelkän vetyatomin mallintaminen ollut riittävää vaan samalla piti huomioida myös sähkömagneettinen kenttä, vaikka siinä ei olisi yhtään energiaa. Nyt tämä ilmiö on varmistettu kvanttisähköisissä piireissä.

Uuden löydön mahdollisti se, että häviöt – ja samalla myös energiasiirtymä – voidaan kytkeä päälle ja pois päältä. Näiden pienten energiasiirtymien hallinta on erittäin tärkeää kvanttilogiikan ja kvanttitietokoneiden toteuttamisessa.

“Käytännön ongelmia ratkovan kvanttitietokoneen rakentaminen on tällä hetkellä yksi yhteiskunnan suurimmista haasteista,” Möttönen pohtii.

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

FT Matti Silverin tutkimusryhmä Oulun yliopistossa keskittyy kvanttisimulaatioiden ja suprajohtavien kvanttipiirien teoriaan. Silveri oli vastuussa havaintojen teoreettisesta mallintamisesta.

Lisätietoa:

Artikkeli Broadband Lamb shift in an engineered quantum system, Nature Physics DOI: 10.1038/s41567-019-0449-0

Mikko Möttönen
Kvanttilaskennan ja -laitteiden ryhmä, ryhmänjohtaja, dosentti
Aalto-yliopisto
puh. 050 594 0950
[email protected]

Twitter: @mpmotton

Matti Silveri
Akatemiatutkija, ryhmänjohtaja, dosentti
Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikkö
Oulun yliopisto
puh. 040 754 1759
[email protected]

Video kvanttipiirijäähdyttimestä

Video QCD-laboratorioista

 

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Illustration image on a sunny day as the sun is setting, of Otakaari 2A, the lights in the building are lit and there are blurry images of people walking around. Grass and trees are green.
Kampus, Mediatiedotteet, Yliopisto Julkaistu:

Uudisrakennus Marsio on näyteikkuna Aalto-yliopiston tutkimukseen, opetukseen ja vaikuttavuuteen

Kilpailun kautta valittu nimi on kunnianosoitus Aino Marsio-Aallolle.
FinnFusion is a collaboration aiming to make fusion energy a reality. Photo: VTT.
Yhteistyö, Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aallon tutkijat tuovat heliumplasmakokeilla fuusioenergiaa lähemmäksi todellisuutta

Aalto-yliopiston tutkijat osallistuvat kansainväliseen projektiin, jonka tavoitteena on tukea fuusioenergian kehittämistä.
Vehnänjyviä
Mediatiedotteet Julkaistu:

Miljardille ihmiselle vapautuisi ruokaa, jos maatalouden sivuvirtoja kierrätettäisiin tuotantoeläinten rehuksi

Aalto-yliopiston tutkijat osoittivat, että ruokaa riittäisi jopa 13 prosenttia suuremmalle väestölle, jos tuotantoeläinten rehuna käytettäisiin enemmän maatalouden sivuvirtoja.
A satellite image of Borneo and part of Malaysia covered by plumes of smoke from fires. The many fires are marked on the map as red dots.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijat osoittivat tekoälyn avulla: Turvesuopalojen riski kutistuu jopa neljännekseen maankäytön muutoksilla

Pahimpina vuosina Kaakkois-Aasian turvesuopalot aiheuttavat 30 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä. Maankäyttö on tasapainottelua uhkien, hyötyjen ja kustannusten välillä, sanovat Aalto-yliopiston tutkijat.