Mullistava valonlähde voi tuoda lisätehoa ja -turvaa kvantti-informaation siirtämiseen

Kaaviokuva suprajohtavasta fotonien lomittumisgeneraattorista. Tummansininen pohjakerros on suprajohde, josta pariutuneet, lomittuneet elektronit tunneloituvat vaaleansinisen kerrosrakenteen läpi ylempiin kerroksiin. Lomittunut fotonipari syntyy, kun tunneloituneet elektronit siirtyvät samanaikaisesti vapaana oleviin matalampiin energiatiloihin. Kuva: Ethan D. Minot.

Lomittuminen on kvanttimekaniikan keskeisin ilmiö, jonka ansiosta kaksi valohiukkasta eli fotonia voi olla yhteydessä toisiinsa – välimatkasta riippumatta. Tähän ominaisuuteen perustuu myös kvanttiteknologioiden valtava teho. Kvanttitietokoneiden, -sensorien ja -kryptografian kehitys vaatii kuitenkin uusia, tehokkaampia fotoniparien lähteitä.

Nyt Aalto-yliopistossa aletaan rakentaa vallankumouksellista fotoniparien kvanttilomittumiseen perustuvaa LED-valonlähdettä professori Pertti Hakosen johdolla. Tutkimusryhmä on saanut työhön Jane ja Aatos Erkon säätiöltä ja Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiöltä kolmivuotisen Tulevaisuuden tekijät -ohjelman rahoituksen.

”Aikaisemmin lomittuneita fotoneja on tuotettu epälineaarisilla kiteillä, mikä on hyvin kömpelöä ja aika lailla tehotonta: ulos saadaan muutama lomittunut kvanttipari satunnaisesti ja huonolla hyötysuhteella”, Hakonen kertoo.

Nyt käynnistyvässä hankkeessa tutkijat kehittävät lomittuneille fotoneille tehokkaan, kompaktin, kirkkaan ja kontrolloitavan lähteen. Se perustuu moderniin materiaalitekniikkaan, jossa yhden atomitason paksuisia kerroksia voidaan liittää toisiinsa räätälöidysti kerros kerrokselta. Kerrokset voivat olla erimerkiksi grafeenia, nitridiä tai sulfidia.

Kohti kvantti-internetiä

Lomittunut fotonigeneraattori pystyttäisiin helposti integroimaan myös kvanttitietokoneiden jäähdyttämiseen tarvittaviin kryostaatteihin. Tämä mahdollistaisi nopean kvanttikommunikaation erillisten, kaukanakin toisistaan olevien kvanttiprosessorien välillä. Toisiinsa kytketyt yksittäiset kvanttitietokoneet voivat muodostaa kvantti-internetin, jonka välityksellä voidaan tulevaisuudessa suorittaa myös hajautettua kvanttilaskentaa.

”Hajautetun kvanttilaskennan ansiosta suuret kvanttiprosessorit voidaan muodostaa rakenteeltaan yksinkertaisista kvanttitietokoneista, mikä vähentää operoinnin haasteita”, Hakonen kertoo.

Tehokkaita lomittumisgeneraattoreita tarvitaan myös nopeasti kehittyvässä kvanttikryptografiassa eli tiedon salauksessa. Lomittuneisiin fotoneihin perustuvat salausavaimet mahdollistaisivat äärimmäisen turvallisen tiedonsiirron.

”Mikä tahansa salakuunteluyritys rikkoo lomittumisen, jolloin salakuuntelu ei ole mahdollista ja viestiin jää myös jälki, joka on helppo havaita.”

Professori Zhipei Sun ryhmineen osallistuu näytteiden valmistustekniikoiden ja laitteen tuottamien lomittuneiden fotonien luokittelun kehittämiseen. Hakosella ja Sunilla on yhteinen laitteisto, joilla voi pinota erittäin ohuita ja reaktioherkkiä kerrosrakenteita. Myös Aallossa kesään 2022 saakka vierailulla olevalla Oregonin yliopiston professori Ethan D. Minotilla on hankkeessa keskeinen rooli. Kryostaattien osalta hankkeen yrityskumppanina on Aallon spinoff-yritys Bluefors.

Hankkeen ohjausryhmässä on mukana muun muassa infrapunakameroihin keskittyvän Emberion-yrityksen teknologiajohtaja Tapani Ryhänen. Hollantilaisen Single Quantum -yrityksen tutkimuksesta vastaava johtaja Val Zwiller ja sveitsiläisen Terra Quantum -yrityksen teknologiakehityksestä vastaava professori Gordey Lesovik ovat myös hankkeessa yhteistyökumppaneina.

Tutkimushanke tukee Fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaivaa (PREIN), joka on yksi Suomen Akatemian rahoittamista osaamiskeskittymistä. Tutkijat ovat osa kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland (QTF) ja kansallista kvantti-instituuttia (InstituteQ). Kokeissa hyödynnetään kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria. Hankkeessa hyödynnetään erityisesti uutta Blueforsin kryostaattia, joka hankittiin Aaltoon Suomen Akatemian tutkimusinfrastruktuureille suunnatulla FIRI-rahoituksella vuoden 2021 lopulla.