Marie Skłodowska-Curie -apuraha spinien lomittumisen ja Diracin materiaalien tutkimiseen

Lomittuneet elektronit mahdollistavat välittömän tiedonvaihdon pitkien etäisyyksien välillä. Ilmiö perustuu kvanttimekaniikan peruslakeihin. Tähän asti kvanttilomittumista on kuvattu lähinnä valoa (fotoneja) käyttämällä.

Aalto-yliopiston tutkija Pablo Burset aikoo esittää todisteet lomittumisesta sähkölaitteissa eristämällä lomittuneet elektroniparit sähkövirrasta. Päästäkseen tähän Burset työstää uutta mielenkiintoista laitetta, Cooperin parien erotinta, jolla suprajohteesta tulevat lomittuneet elektroniparit voidaan erotella spatiaalisesti.

”Fotonien kvanttilomittumista käytetään jo nyt uusissa, salakuuntelulta suojatuissa yhteyksissä. Cooperin parien erotinlaitteet voisivat olla perusta monien sellaisten kvanttisovellusten kehittämiselle, joista olisi käytännön hyötyä arjessamme. Pitkällä aikavälillä niitä voitaisiin käyttää tulevaisuuden kvanttitietokoneen rakennuspalikan, kubitin kehittämiseen”, Burset kertoo.

Bursetin mukaan huipputason kokeellisessa ja teoreettisessa tutkimuksessa ei ole tähän mennessä pystytty erottamaan yksittäisiä hiukkasia sähkövirrasta, joka sisältää miljardeja lomittuneita Cooperin pareja. Jotta lomittumistieto voidaan valjastaa tulevia sovelluksia varten, yksittäisten elektroniparien eristäminen on olennaisen tärkeää.

Diracin materiaalit mahdollistavat uusia tapoja suunnitella kvanttilaitteita

Ehdotettu laite perustuu grafeeniin ja topologisiin eristeisiin. Näiden näennäisesti toisiinsa liittymättömien materiaalien pintaelektronit käyttäytyvät kuten massattomat hiukkaset, jotka liikkuvat erittäin nopeasti paljolti valon tapaan. Niiden kuvaamiseksi tutkijat käyttävät Diracin yhtälöä selittääkseen eksoottisten hiukkasten käyttäytymistä. Näitä ominaisuuksiltaan epätavallisia materiaaleja kutsutaan Diracin materiaaleiksi, ja niiden myötä kvanttilaitteita voidaan suunnitella ainutlaatuisilla ja uusilla tavoilla.

Vähäistä määrää Cooperin parien erottimia voidaan käyttää kvanttitietokoneiden kubittien kehittämisen lisäksi myös kvanttisimulaattorina.

”Kvanttisimulaattoreita voidaan käyttää tiettyjen ongelmien ratkaisemiseen tavalla, johon nykyiset supertietokoneet eivät pysty. Ne eivät ole yhtä monikäyttöisiä kuin kvanttitietokoneet, mutta ne on helpompi toteuttaa, sillä niiden jokaista osaa ei tarvitse hallita täydellisesti”, Burset selittää.

Pablo Burset työskentelee teknillisen fysiikan laitoksella professori Christian Flindtin kanssa. Flindt johtaa kvanttikuljetusta tutkivaa Quantum Transport -tutkimusryhmää Aalto-yliopistossa.

”Lomittumisen aikaansaaminen hallitusti sähkölaitteessa olisi tieteellinen läpimurto, joka voisi johtaa vallankumouksellisiin muutoksiin yhteiskunnassa ja teollisuudessa. Mahdolliset sovellusalat vaihtelevat uusien materiaalien ja lääkkeiden suunnittelusta monimutkaisten matemaattisten yhtälöiden ratkaisemiseen niinkin erilaisilla aloilla kuin taloustieteessä ja suurenergiafysiikassa,” sanoo Flindt, joka johtaa myös kvanttiteknologian keskusta (Centre for Quantum Engineering, CQE) Aalto-yliopistossa.

”Apurahan mahdollistama liikkuvuus tarjoaa  erinomaisen tilaisuuden kehittää tutkimustani professori Flindtin ryhmässä ja jatkaa yhteistyötä espanjalaisten, saksalaisten ja japanilaisten tutkijoiden kanssa”, Burset sanoo.
 

Quantum Transport -tutkimusryhmän verkkosivut

Lue toisesta tutkijasta, Konstantinos Daskalakiksesta, joka sai myös Marie Skłodowska-Curie –apurahan.

Marie Skłodowska-Curie -toimien yksittäisistä apurahoista annetaan rahoitusta kokeneille tutkijoille heidän liikkuvuutensa, tutkimushankkeidensa ja koulutuksensa tukemiseksi sekä Euroopassa että Euroopan ulkopuolella. Järjestelmä on osa EU:n tutkimuksen ja innovoinnin Horisontti 2020 -puiteohjelmaa, ja se on tarkoitettu tutkijoille, joilla on tohtorintutkinto tai vähintään neljän vuoden kokemus kokoaikaisesta tutkimustyöstä.