Uutiset

Rajapyykki saavutettu - uusi säteilyilmaisin on riittävän nopea kvanttitietokoneisiin

Huippunopea säteilyilmaisin on tehty kultapalladiumin sijaan grafeenipalasta, joka on niin pieni, että se mahtuisi bakteerin sisään.

Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat kehittäneet uuden nanokokoisen säteilyilmaisimen, jolla voidaan mitata fotonien energiaa ja samalla määrittää kvanttitietokoneissa tarvittavien kubittien energiatila huomattavasti aiempaa tarkemmin ja nopeammin. Tutkimuksen tulokset julkaistiin juuri arvostetussa Nature-lehdessä.

The low-temperature plate inside of the refrigerator. The team attaches their bolometers here. Credit: Aalto University.
Jäähdyttimen sisällä oleva kylmä levy. Tutkijat asettavat tänne bolometrinsa. Kuva: Aalto-yliopisto.

Nanokokoista säteilyilmaisinta kutsutaan bolometriksi, ja sen toiminta perustuu mitattavan säteilyn lämmittävään vaikutukseen. Nopeutensa ja tarkkuutensa ansiosta säteilyilmaisimet voivat löytää tiensä laboratorioista käytännön sovellutuksiin, kuten kvanttitietokoneisiin.

Professori Mikko Möttösen tutkimusryhmä Aalto-yliopistossa on tutkinut herkkiä bolometrejä jo vuosikymmenen ajan.

”Olemme onnistuneet vuosi vuodelta parantamaan säteilyilmaisimen ominaisuuksia. Nyt bolometrimme nopeus ja tarkkuus vaikuttavat olevan riittäviä kubittien sisältämän kvanttitiedon lukemiseen”, sanoo Möttönen.

Tutkimusryhmä onnistui jo aiemmin rakentamaan kultapalladiumista bolometrin, joka oli erittäin vähäkohinainen eli siinä oli hyvin vähän lukusignaalin poukkoilua. Se oli kuitenkin edelleen liian hidas kvanttitietokoneiden kubittien mittaamiseen. Uusi läpimurto saavutettiin korvaamalla kultapalladium grafeenilla. Tätä varten tutkijat tekivät yhteistyötä professori Pertti Hakosen johtaman tutkimusryhmän kanssa, jolla on kokemusta grafeenipohjaisten laitteiden valmistuksesta.

”Kun valmistimme ilmaisimen grafeenista, siitä tuli sata kertaa nopeampi, vaikka kohinan taso pysyi samana. Näiden alustavien tulosten jälkeen voimme vielä tehdä paljon optimointia säteilyilmaisimen parantamiseksi”, kertoo Hakonen.

Artistic image of a graphene bolometer controlled by electric field. Credit: Heikka Valja.
Taiteellinen näkemys grafeenibolometrista, jota ohjataan sähkökentällä. Kuva: Heikka Valja.

Vähemmän kohinaa

Kubittien energian mittaaminen on olennainen osa kvanttitietokoneiden toimintaa. Nykyisin useimmat kvanttitietokoneet määrittävät kubitin energiatilan mittaamalla siitä lähtevää jännitettä. Jännitteen mittaamiseen liittyy kuitenkin haasteita. Siihen vaaditaan suuria vahvistinpiirejä, jotka rajoittavat ratkaisun hyödyntämistä suuremmassa mittakaavassa. Lisäksi vahvistin kuluttaa paljon energiaa, ja jännitemittaukset sisältävät kvanttikohinaa, mikä aiheuttaa mittausvirheitä.

Grafeenin lämmönvarauskyky on alhainen, ja sen vuoksi grafeenista valmistettu terminen eli lämpöä mittaava säteilyilmaisin havaitsee hyvin pienet energianmuutokset nopeasti, alle mikrosekunnissa. Tutkijatohtori Antti Laitisen valmistama grafeenipala on lisäksi niin pieni, että se mahtuisi yksittäisen bakteerin sisään.

”Säteilyilmaisimen pieni koko on grafeenin kaksiulotteisuuden eli tasomaisen, vain yhden atomikerroksen paksuisen, rakenteen sekä viime vuosina kehitettyjen nanovalmistusmenetelmien ansiota”, nykyisin Harvardissa työskentelevä Laitinen kertoo.

Mittauksia suoritti väitöskirjaansa viimeistelevä tohtorikoulutettava Roope Kokkoniemi, joka työskentelee nykyisin kvanttitietokoneita rakentavassa IQM-yrityksessä.

”Säteilyilmaisimen suorituskykyä voidaan parantaa merkittävästi jo pelkästään paremmalla mittaustekniikalla”, sanoo Kokkoniemi.

Seuraavaksi tutkimusryhmä keskittyy parantamaan säteilyilmaisimen tarkkuutta entisestään ja käyttämään sitä kvanttisovelluksissa. Tutkimusyhteistyö liittyy Suomen Akatemian rahoittamaan Kvanttiteknologian huippuyksikköön (QTF) ja BOLOSE-anturikehitysprojektiin (RADDESS-ohjelma, 2018-2021). Mikko Möttösen tutkimusryhmä on myös osa Euroopan unionin rahoittamaa Quantum Flagship -hanketta Quantum Microwave Communication and Sensing (QMiCS) -projektillaan.

Tutkimuksessa on hyödynnetty kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, joka tarjoaa korkeatasoisen kokeellisen ympäristön ja laitteistot nanotieteiten ja -teknologioiden, sekä kvanttiteknologioiden tutkimukseen. OtaNano operoinnista vastaavat Aalto-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT. Infrastruktuuri on sekä akateemisten että kaupallisten käyttäjien hyödynnettävissä kansainvälisesti. Lue lisää englanninkieliseltä sivustolta.

Lisätietoja:

Mikko Möttönen
Professori, Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmän johtaja
Aalto-yliopisto ja VTT
[email protected]

Pertti Hakonen
Professori, NANO-tutkimusryhmän johtaja
Aalto-yliopisto
[email protected]

Artikkeli:

R. Kokkoniemi, J.-P. Girard, D. Hazra, A. Laitinen, J. Govenius, R. E. Lake, I. Sallinen, V. Vesterinen, P. Hakonen, and M. Möttönen, Bolometer  operating  at  the  threshold  for  circuit  quantum electrodynamics, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-020-2753-3 (2020).

Lue Mikko Möttösen blogi VTT:n sivuilla: Kvanttituloksemme kipusivat maailman huipulle

Lue lisää:

Quantum Computing and Devices (QCD)

We have a major effort on experimental low-temperature physics, but we also carry out computational and theoretical work down to fundamental quantum mechanics.

Department of Applied Physics
Nano cryostat

Quantum Circuits and Correlations (NANO)

Nano group of the Low Temperature Laboratory investigates fundamental quantum phenomena in nanostructures using low temperature and electronic transport measurements.

Department of Applied Physics
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Hanna-Kaisa Korolaisen väitöskirjan The Making of Inspiration sisäaukeama.
Palkitut, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aalto ARTS Booksille kultaa kansainvälisessä ICMA-kilpailussa sekä tieteellisten että oppikirjojen sarjassa

Neljä Aalto ARTS Booksin kirjaa palkittiin ICMA (International Creative Media Award) -kilpailun kirjojen osiossa.
Professor Jens Schmidt opening the first Aalto Alumni Strategy Circle. Audience in the front.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aalto Alumni Strategy Circle -tapahtumassa jaettiin fuusioiden ja yrityskauppojen parhaita käytäntöjä

Aalto Alumni Strategy Circle kokoaa yhteen strategia-alan ammattilaisia ja yritysjohtajia oppimaan ja vaihtamaan ajatuksia strategian ajankohtaisista aiheista.
Alustatalouden faktat ja myytit studiossa Heli Koski, Jussi Mäkinen, Timo Seppälä ja William von der Pahlen
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Alustasääntelyn kiemuroissa – Alustatalouden F&M ruotii digitaalisten markkinoiden sääntelyä

Digitaalisia markkinoita pyritään sääntelemään EU-tasolla, mutta nyt sääntelyä uhkaa olla jo niin paljon, että kuluttajien ja yritysten on vaikea saada niistä selkoa.
Anne Sunikka Dipolissa tietokoneen ääressä.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Laatua yhdessä – Yliopisto tukee avoimen tieteen kulttuuria

Tutkijalle on tarjolla tietoa, koulutusta ja tukea avoimesta tutkimustuotosten julkaisemisesta