Maailman vähäkohinaisin säteilyilmaisin voi auttaa kvanttitietokoneiden kehityksessä

Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan kultapalladiumista nanokokoisen lämmitykseen perustuvan säteilyilmaisimen eli bolometrin.

”Uusi säteilyilmaisin on äärimmäisen herkkä, ja kohina eli signaalin poukkoilu oikean arvon ympärillä on vain kymmenesosa parhaan kilpailijan kohinasta. Se on myös sata kertaa nopeampi kuin aikaisemmat vähäkohinaiset säteilyilmaisimet”, sanoo Mikko Möttönen, joka toimii Aalto-yliopiston ja VTT:n yhteisprofessorina kvanttiteknologian alalla.

Uudella säteilyilmaisimella sähkömagneettisen säteilyn tehoa voidaan myös mitata reaaliaikaisesti, toisin kuin saman tutkimusryhmän 2016 rakentamalla ilmaisimella, joka piti asettaa alkutilaan aina ennen uutta mittausta.

Tutkimusryhmä teki tutkimusta varten säteilyilmaisimen ensin kullasta. Se meni rikki muutamassa viikossa, sillä kulta ei sovi yhteen alumiinin kanssa, jota käytetään suprajohteena nanosäteilyilmaisimessa. Siksi tutkijat päätyivät käyttämään kultapalladiumseosta, joka on todella kestävä mutta bolometreissa harvinainen materiaali.

”Uuden säteilyilmaisimen salaisuus on materiaalin lisäksi sen todella pieni koko. Säteilyilmaisimen keskellä kulkeva nanolanka on vain noin mikrometrin pituinen, parisataa nanometriä leveä ja muutama kymmenen nanometriä paksu”, sanoo bolometria tutkinut Roope Kokkoniemi Aalto-yliopistosta.

Bolometrien toiminta perustuu mitattavan säteilyn lämmittävään vaikutukseen. Kun bolometri lämpenee, sen sähköiset ominaisuudet muuttuvat, ja tämä voidaan mitata tarkasti. Mitä pienempi bolometri on, sitä vähemmän sen lämmittäminen vaatii säteilytehoa.

”Pienikokoisen säteilyilmaisimen lämpökapasiteetti on pieni, joten heikosta säteilystä saadaan enemmän signaalia”, Roope Kokkoniemi kertoo.

Parempia suojauksia

Säteilyilmaisimia käytetään tällä hetkellä laajasti muun muassa rakennusalalla lämpökameroissa ja satelliiteissa kosmisen säteilyn mittaamisessa. Uusien kehitysaskelien myötä ne voivat löytää tiensä myös kvanttitietokoneisiin.

”Kvanttitietokoneet toimivat kryostaateissa eli äärimmäisen kylmissä superpakastimissa. Niissä pienikin ylimääräinen säteily tuottaa paljon häiriötä. Koska nanobolometri on hyvin herkkä, sillä voisi kätevästi mitata ylimääräisen säteilyn tasoa kryostaatissa, ja vähentää säteilyä paremmilla suojauksilla”, Möttönen kertoo.

Bolometria voitaisiin hyödyntää myös kvanttitietokoneen bittien eli kubittien tilan mittaamisessa. Sitä varten bolometrin tulisi olla vielä nopeampi.

”Jotta kvantti-informaatiota voidaan lukea useita kertoja peräkkäin ilman, että informaatio ehtii mittausten välissä kadota, täytyy bolometrin nopeutta lisätä vielä noin satakertaiseksi”, Mikko Möttönen kertoo.

Jos uusi säteilyilmaisin saadaan toimimaan avaruudessa yhtä hyvin kuin laboratoriossa, sillä voidaan myös mitata kosmista taustasäteilyä nykyistä tarkemmin.

Tutkimuksessa kehitettiin myös mikroaaltovahvistimia. Niiden tehtävä on vahvistaa signaalia, mutta ne voivat samalla lisätä kohinaa. VTT:n tutkijat kehittivät suprajohtavan mikroaaltovahvistimen, joka toimii alhaisessa lämpötilassa. Se onnistui puolittamaan bolometrin kohinan siitä, mihin parhaalla kaupallisella vahvistimella päästään.

Bolometri kehitettiin Mikko Möttösen johtamassa Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmässä, joka on osa kvanttiteknologian tutkimuksen kansallista huippuyksikköä (QTF). Tutkimuksessa on hyödynnetty OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria ja siihen kuuluvaa Micronovan puhdastilaa. Artikkeli julkaistiin Communications Physics –lehdessä 11. lokakuuta.

Artikkeli: Nanobolometer with Ultralow Noise Equivalent Power