Kvanttifyysikot onnistuivat energian häviöiden ja siirtymien hallinnassa
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.”
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.
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
Lue lisää uutisia
Syyskuussa aloittaa 14 uutta akatemiatutkijaa
Suomen Akatemia on myöntänyt Aalto-yliopistolle rahoituksen 14 akatemiatutkijan tehtävään.
Yli 19 miljoonaa euroa tutkimukseen
Suomen Akatemian akatemiatutkija- ja akatemiahankerahoituksen sai yhteensä 43 aaltolaista.
Kari Tammi ja Jussi Ryynänen on nimitetty dekaaneiksi
Professori Kari Tammi aloittaa 1. heinäkuuta Insinööritieteiden korkeakoulussa ja professori Jussi Ryynänen 1. elokuuta Sähkötekniikan korkeakoulussa.