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

Cone Calorimeter Testing
Tutkimus ja taide Julkaistu:

BIOSUOJA-hanke pelastaa ihmishenkiä kehittämällä biopohjaisia palonestopinnoitteita

Lahjakas ryhmä nuoria tutkijoita pyrkii tekemään puusta myrkyttömiä palonestoaineita.
Visuaalisen tekoälyn avulla luotu hahmotelma kaupunkialueen kehittämiseksi Batterseassa, Lontoossa
Yhteistyö, Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Arkkitehtiopiskelijat suunnittelivat tekoälyn avulla sosiaalisia innovaatioita Lontooseen

Suunnittelussa yhdistettiin ensimmäistä kertaa laadullinen evolutionaarinen suunnittelu ja visuaalinen generatiivinen tekoäly.
Kuvassa näkyy ruokalista, johon eri aterioiden CO2-päästöt on merkitty värikoodilla ja euromääräisrellä hinnalla.
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkimus: Hiilijalanjäljen merkitseminen vaikuttaa joukkoruokailijoiden valintoihin – myös merkitsemistavalla on väliä

Saksassa toteutettu tuore tutkimus osoittaa, että opiskelijaravintolan asiakkaat valitsivat vähäpäästöisempiä aterioita, kun heille kerrottiin eri ateriavaihtoehtojen hiilijalanjälki. Vaikutus oli suurin, kun hiilijalanjälki kerrottiin liikennevalo-värikoodin ja euromääräisen hinnan yhdistelmänä. Tutkijan mukaan asia kannattaisi huomioida myös Suomessa, missä joukkoruokailu on erityisen suosittua.
The magnetic properties of a material can affect how it interacts with light.
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijoille läpimurto: Yksisuuntaisen lasin kehitys vihdoin mahdollista

Tutkijat kehittivät uuden metamateriaalin, joka voi toimia monenlaisten teknologisten innovaatioiden pohjana.