Uutiset

Kvanttitieteilijät onnistuivat mittaamaan mikroaaltosäteilyn tehon ennennäkemättömällä tarkkuudella

Tutkijat uskovat, että uusi laite voi mullistaa mikroaaltosäteilyn mittaamisen ja on huima harppaus kvanttiteknologialle.
Photo of a bolometer
Blueforsin kryogeenisen mittausjärjestelmän sisäosat. Kuva: Bluefors.

Suurin osa kvanttitutkimuksesta tapahtuu äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa, jotka tutkijat saavuttavat kryostaateiksi kutsutuilla superpakastimilla. Myös kokeissa käytettävät energiamäärät ovat äärimmäisen pieniä: kyse voi olla jopa fotonia eli valohiukkasta pienemmästä määrästä energiaa. Kvanttitutkimuksessa tehotasot pitää pystyä mittaamaan äärimmäisellä tarkkuudella – ja samalla ottaa huomioon tutkijoiden suuri haaste, eli lämpöenergian vaikutus mittaustuloksiin.

Tehon mittaamiseen kvanttisovelluksissa käytetään bolometriksi nimettyä laitetta. Aalto-yliopiston ja VTT:n kvanttiteknologian professori Mikko Möttösen johtama tutkimusryhmä on jo aiemmin kehittänyt äärimmäisen tarkan bolometrin, mutta siihenkin liittyi enemmän epävarmuutta kuin tutkijat toivoivat. Vaikka tutkijat pystyivät havaitsemaan laitteella suhteellista tehotasoa, absoluuttista tehoa ei kuitenkaan kyetty tarkasti mittaamaan.

Nyt Aalto-yliopiston tutkijat yhteistyössä VTT:n sekä kvanttialan yritysten Blueforsin ja IQM:n kanssa ovat onnistuneet kehittämään nanolaitteen, jolla pystytään mittaamaan mikroaaltosäteilyn absoluuttista tehoa jopa femtowattiin asti äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa. Femtowatti on tasoltaan biljoonasosan tyypillisesti tarkkuusmittauksissa käytössä olevasta tehosta. Uusi laite voi siis mullistaa mikroaaltosäteilyn mittaamisen kvanttiteknologisissa sovelluksissa.

Tulokset julkaistiin tänään Review of Scientific Instruments -lehdessä: https://doi.org/10.1063/5.0143761  

“Kiinnitimme bolometriin lämmittimen, johon voimme viedä tietyn määrän virtaa ja mitata sen aiheuttaman jännitteen. Koska tiedämme lämmittimeen menevän tehon määrän tarkasti, voimme kalibroida mikroaaltosäteilyn tehon sen perusteella. Tuloksena on itsekalibroituva bolometri, joka toimii äärimmäisen matalissa lämpötiloissa. Sen avulla voimme mitata absoluuttista tehoa kryogeenisissä lämpötiloissa”, Möttönen sanoo. 

Blueforsin kvanttisovellusten johtaja Russell Laken mukaan uusi bolometri on merkittävä askel eteenpäin mikroaaltojen tehon mittaamisessa. 

“Kaupalliset mittarit toimivat tyypillisesti yhden milliwatin mittakaavassa. Tämä bolometri sen sijaan mittaa tarkasti ja luotettavasti jopa yhden femtowatin tasolla tai jopa alle. Se on biljoonasosa tavanomaisissa mittaustekniikoissa käytetystä tehosta”, Lake toteaa. 

“Tarkkoja tuloksia varten kubittien hallintaan tarkoitettujen kaapeleiden täytyy olla äärimmäisen kylmiä eli kokonaan ilman lämpöfotoneita tai ylimääräistä säteilyä. Tällä bolometrillä voimme nyt mitata kaapelien säteilyn tehon ilman, että esimerkiksi kubittipiirit häiritsevät tuloksia”, Möttönen jatkaa. 

“Sensori on laajakaistainen, joka tarkoittaa, että voimme mitata tehotasoa hyvin eri taajuuksilla. Tämä ei ole itsestäänselvyys kvanttiteknologiassa, sillä usein sensorit toimivat vain erittäin kapealla spektrillä”, sanoo Jean-Philippe Girard, Blueforsin tutkija, joka aiemmin työskenteli laitteen parissa Aallossa. 

Image of the power sensor on a silicon chip. The measured radiation arrives from the horizontal transmission line on the left and the power level is read out using the line of the right. The red line is used to apply a known heater power to calibrate the power reading. the inset on the right shows a zoom-in of the absorber and thermometer parts of the device.  Credit: Jean-Philippe Girard/Aalto University
Kuva tehomittarista piikiekolla. Kuva: Jean-Philippe Girard / Aalto-yliopisto.

Hyötyä yliopistojen sekä yritysmaailman kvanttiammattilaisille 

Tutkijoiden mukaan uusi bolometri on huima harppaus eteenpäin kvanttiteknologialle. 

“Mikroaaltojen mittaamista tehdään muun muassa langattomassa viestinnässä ja tutkateknologioissa. Näillä aloilla on omat keinonsa tehdä erittäin tarkkoja mittauksia, mutta aiemmin ei ollut mitään vastaavaa keinoa kvanttiteknologian alalla. Bolometri on kehittynyt diagnostinen väline, joka on tähän asti puuttunut kvanttiteknologian työkalulaatikosta,” Lake sanoo. 

Kehitystyö on Aallon ja Blueforsin yhteistyön tulosta. Laite kehitettiin Aallon Kvanttilaskennan ja -laitteiden ryhmässä, joka kuuluu Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikkö QTF:ään. Tutkijat käyttivät Micronovan puhdashuoneita, jotka kuuluvat kansalliseen OtaNano-tutkimusinfrastruktuuriin. Ensimmäisten Aallolla tehtyjen kokeiden jälkeen Bluefors on myös testannut laitetta onnistuneesti.  

“Se osoittaa, että laite ei ole vain satunnainen onnistuminen yliopiston labrassa, vaan jotain mistä sekä akateemiset että yritysmaailman kvanttiammattilaiset voivat hyötyä”, Möttönen sanoo. 

Lisätietoja:

Kvanttibitit. Kuva: Jan Goetz.

OtaNano

OtaNano is Finland's national research infrastructure for micro-, nano-, and quantum technologies

White InstituteQ logo on dark background

InstituteQ - The Finnish Quantum Institute (ulkoinen linkki)

InstituteQ coordinates quantum research, education, and business in Finland

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:

Lue lisää uutisia

Nesteen polttoainejalostamon tankit Porvoossa
Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Yhteistyö Aallon kanssa tuo Nesteelle merkittävää taloudellista hyötyä

Yhteistyön tuloksena Nesteen polttoainetutkimukseen tuotiin digitaalisia työkaluja perinteisen testaamisen rinnalle.
Laboratory work at the School of Chemical Engineering
Yhteistyö Julkaistu:

Tervetuloa Unite! Engineering Biology -verkostoitumistapahtumaan 11.9.2024

Tapahtuman tavoitteena on tuoda yhteen yhdeksän Unite!-allianssiin kuuluvan yliopiston tutkijat edistämään avainteknologioita ja kestäviä prosesseja.
Tie lumisessa talvimaisemassa iltahämärässä.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkija selvitti: Pakkasen pauke syntyy pääasiassa taivaalla

Yleisen luulon vastaisesti pakkasen pauke ei olekaan peräisin esimerkiksi puista tai rakennuksista.
Sarjakuvamainen kuvituskuva Solip Parkin tutkimusmenetelmistä
Palkinnot ja tunnustukset Julkaistu:

Tohtoriopiskelija Solip Parkin artikkeli saa kunniamaininnan CHI 2024 -konferenssissa

Tohtoriopiskelija Solip Parkin artikkeli on hiljattain herättänyt huomiota arvostetussa CHI 2024 -konferenssissa, saaden kunniamaininnan.