Lämmönsiirron mullistava keksintö mahdollistaa kvanttitietokoneiden kehittämisen

Mikko Möttösen johtama tutkijaryhmä on onnistunut siirtämään lämpöä maksimaalisen tehokkaasti kymmenentuhatta kertaa pidemmälle kuin koskaan aikaisemmin. Löydöksen avulla supertehokkaiden kvanttitietokoneiden kehitys voi ottaa jättiharppauksen. Tulokset julkaistiin 1. helmikuuta arvostetussa Nature Physics -lehdessä.

Lämmön johtuminen on yksi fysiikan perusilmiöistä. Tutkimusalan suuret löydökset muuttavat siis arkeamme väistämättä. Möttösen ryhmän saavutus mullistaa niin sanotun kvanttirajoittuneen lämmönjohtumisen eli lämmön siirtymisen mahdollisimman tehokkaasti paikasta A paikkaan B.

Etenkin 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.

Laitteen rakenne ja yksinkertaistettu mittajärjestely. Laite koostuu suprajohtavasta kiemurtelevasta siirtolinjasta piisirun päällä. Siirtolinjan molempiin päihin on kytketty pienet vastukset, joiden elektronien lämpötilavaihteluja mittaamalla päätellään, että siirtolinjassa kulkevat mikroaaltofotonit siirtävät lämpöä kvanttirajoitteisesti. Sekä molempien vastusten elektronien lämpötilojen mittaus että oikean puoleisen vastuksen aktiivinen jäähdytys suoritetaan käyttämällä hyväksi vastuksiin kytkettyjä liitoksia, joiden läpi elektronit voivat tunneloitua kvanttimekaanisesti. Kuva: Matti Partanen.

Tärkein oivallus

Möttösen tutkimusryhmä sai kokeissaan lämmön siirtymään kvanttirajoitteisesti metrin verran. Metri ei ensi alkuun kuulosta pitkältä matkalta, mutta aikaisemmin tällainen lämmön siirtyminen 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 tärkeä oivallus tutkimuksen onnistumiseksi oli käyttää lämmön kuljettamiseen fotoneita. Fotonit ovat hiukkasia, joista esimerkiksi kaikki näkyvä valo koostuu. Aiemmin kokeita on tehty esimerkiksi elektronien avulla.

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

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

Atomivoimamikroskooppikuva eräästä kvanttirajoitteisen lämmönjohtavuuden mittaamisessa käytetystä vastuksesta. Huomaa, että kuvassa on käytetyistä valmistusmenetelmistä johtuvia ylimääräisiä kopioita joistakin rakenteista. Kuva: Matti Partanen.

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.

Möttösen artikkeleita on aikaisemminkin julkaistu Naturen ja Sciencen kaltaisissa julkaisuissa, mutta uusi löydös tuntuu silti aiempia erityisemmältä.

– Tutkimusryhmäni on tehnyt koko tutkimuksen omassa laboratoriossani. Kyllä se saa aikaan voittajafiiliksen, Möttönen sanoo.

Aikaisempi pituusennätys maksimaalisen tehokkaalle lämmönsiirrolle oli Aalto-yliopiston professorin Jukka Pekolan ryhmän hallussa. Tämä työ julkaistiin vuonna 2006 Nature-lehdessä.

Taiteellinen näkemys mikroaaltofotoneilla tuotetusta lämmönsiirrosta, joka on kvanttirajoitteinen pitkillä välimatkoilla. Kuva: Riikka Maria Partanen.

Tutkimusprosessista kertova video Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances

Tutkimusartikkeli:

Matti Partanen, Kuan Yen Tan, Joonas Govenius, Russell E. Lake, Miika K. Mäkelä, Tuomo Tanttu, and Mikko Möttönen,

"Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances",

Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3642

Linkki artikkeliin: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3642