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 haastetta päinvastaisesta 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

Lisää tästä aiheesta

Myrskyennuste
Mediatiedotteet Julkaistu:

Talvimyrsky tulossa? Tekoäly ennustaa jo päiviä ennen, aiheuttaako se sähkökatkoja

Aalto-yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen menetelmä parantaa sähköyhtiöiden kykyä ennakoida myrskyjen vaikutuksia.
Two white-face sakis sitting on a tree branch and grooming in Korkeasaari Zoo
Yhteistyö, Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijat suunnittelivat Korkeasaaren valkopääsakeille videoita näyttävän laitteen

Pikkuapinoiden aktivoimiseksi kehitetty laite näytti niille erilaisia videoita. Apinat saivat itse päättää laitteen käytöstä, mikä lisää niiden hyvinvointia.
A small microchip containg quantum circuitry inside a metal sample holder
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijat mallinsivat uudenlaisen maailmankaikkeuden kvanttitietokoneella

Kvanttimekaniikan perusoletusten vastaisesti kvantti-informaatio ei säilynyt kubiteilla suoritetuissa operaatioissa. Tutkijat saattoivat myös muuttaa kubittien kvanttilomittuneisuuden astetta muokkaamalla vain yhtä kubittia.
Picture: Neurocenter Finland.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tekoäly voi löytää kohonneen dementiariskin jo viikossa – nopea diagnoosi mullistaisi sairauden ennaltaehkäisyn

Tutkijat kehittävät uudessa AI-Mind-hankkeessa digitaalisia työkaluja aivojen hermoverkkoyhteyksien tunnistamiseen ja dementiariskin arviointiin.