Uutiset

Tutkijat kehittivät uuden mittaustavan, joka mahdollistaa kvanttitietokoneiden entistä suuremmat kubittimäärät

Aalto-yliopiston tutkijat mittasivat ensimmäisinä maailmassa kubitteja äärimmäisen herkillä lämpöilmaisimilla eli bolometreilla.
An artistic rendering of two chips on a circuit board, one is blue and the other is orange and light is emitting from their surf
Taiteilijan näkemys siitä, miten mikroskooppisen pientä bolometria (oikealla) voidaan hyödyntää kubittien (vasemmalla) erittäin heikon säteilyn havaitsemiseen. Aleksandr Käkinen / Aalto-yliopisto

Jotta lähitulevaisuuden kvanttitietokoneista saadaan aiempaa tehokkaampia, niihin tarvitaan yhä tarkempia ja suurempia määriä kubitteja. Tämä puolestaan vaatii jatkuvasti uusia teknologisia läpimurtoja. 

Yksi suurimpia haasteita kvanttitietokoneiden kubittimäärien kasvattamisessa liittyy kubittien sisältämän tiedon lukemiseen tarkasti ja nopeasti. Perinteisesti näihin mittauksiin on käytetty parametrivahvistimiksi kutsuttuja laitteita. Kuten nimestä voi päätellä, laite joutuu vahvistamaan kubittien lähettämiä erittäin heikkoja jännitesignaaleja, jotta se saa lukeman aikaiseksi. Tämä puolestaan aiheuttaa tietoa alleen peittävää kvanttimelua eli kohinaa, ja voi myös johtaa kubittien dekoherenssiin, ellei niitä suojata suurilla lisäosilla.

Vielä hankalammaksi asian tekee se, että vahvistimen käyttäminen vie tilaa, joka kubittimäärien kasvaessa loppuu kesken tarvittavissa äärimmäisen alhaisen lämpötilan superpakastimissa.

Aalto-yliopiston Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmä (QCD) on jo aiemmin onnistunut rakentamaan maailman tarkimman lämmitysilmiöön perustuvan lämpösäteilyn mittarin, eli bolometrin. Tuoreessa Nature Electronics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan he puolestaan osoittivat, että bolometrilla voidaan mitata kubitin tilaa siten että yksittäisellä kertalukemallakin saadaan riittävän tarkka mittaustulos.

Jopa miljoonat kubitit mahdollisia

Fyysikoiden suureksi harmiksi Heisenbergin epätarkkuusperiaate määrää, ettei hiukkasen paikkaa ja vauhtia, tai signaalin jännitettä ja virtaa, voida samanaikaisesti tarkasti määrittää. Tämä on pätenyt myös kubittien mittaamiseen jännite-virta-vahvistimilla. Sen sijaan bolometreilla tehtävä lämpösäteilyn havainnointi on hyvin erilainen mittaustapa, joka on myös keino kiertää Heisenbergin epätarkkuusperiaate.

Toisin kuin vahvistimet, bolometri lukee säteilyä sen perusteella, miten säteilyn lämpöenergia vaikuttaa siihen. Bolometri on myös kooltaan noin sata kertaa pienempi kuin mittauksiin käytettävät vahvistimet, joten se on mittauslaitteena erinomainen vaihtoehto.

“Kvanttitietokoneiden yhä kehittyessä on helppo kuvitella niiden kubittimäärien kasvavan tuhansiin tai jopa miljooniin. Niinpä jokaisen komponentin huolellinen arviointi on tarpeen, jotta määrää on mahdollista kasvattaa näin massiivisesti. Osoitimme juuri Nature Electronics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessamme, että kehittämämme nanobolometrit ovat varteenotettava vaihtoehto perinteisille vahvistimille. Aivan ensimmäisissä kokeissa havaitsimme, että bolometrimme antavat riittävän tarkkoja kertalukemia, niissä ei ole kvanttikohinaa, ja ne kuluttavat 10 000 kertaa vähemmän energiaa vahvistimiin verrattuna. Ja tämä kaikki pikkuruisessa bolometrissa, jonka lämpösäteilyyn reagoiva osa mahtuisi yhden bakteerin sisään”, sanoo QCD-tutkimusryhmää johtava professori Mikko Möttönen.

Kubitin mittaaminen kertalukemana on fyysikoille keskeinen keino selvittää, kuinka tarkasti laite havaitsee kubitin tiedon yhdellä mittauksella verrattuna useiden mittausten keskiarvoon. Tutkimusryhmä saavutti kokeissaan 61,8 prosentin tarkkuuden, kun lukemisen kesto oli 14 mikrosekuntia. Kun kubitin energian relaksaatioajasta koituva virhe poistettiin, lukeman tarkkuus nousi jo 92,7 prosenttiin.

“Uskomme, että vain pienillä muutoksilla bolometrit saavuttavat halutun 99,9 prosentin tarkkuuden 200 nanosekunnin mittausnopeudella. Voimme esimerkiksi korvata bolometrin materiaalin metallista grafeeniin, jonka lämpökapasiteetti on pieni, ja se pystyy havaitsemaan heikostakin signaalista hyvin pienet energiamuutokset nopeasti. Ja poistamalla tarpeettomia osia bolometrin ja piirin väliltä emme vain paranna lukutarkkuutta, vaan saamme myös aikaan pienemmän ja yksinkertaisemman mittalaitteen. Näin kubittien määrää on mahdollista kasvattaa”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija András Gunyhó QCD-ryhmästä.

Ennen tuoreinta, kubittien tilan lukemista käsittelevää artikkeliaan tutkimusryhmä osoitti vuonna 2019 julkaistussa tutkimuksessaan ensimmäistä kertaa, että bolometreja voidaan käyttää äärimmäisen herkkiin, reaaliaikaisiin säteilymittauksiin. Vuonna 2020 Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan he puolestaan osoittivat, että grafeenin käyttäminen bolometreissa lyhensi mittausnopeuden selvästi alle mikrosekunnin.

Tutkimus tehtiin osana Suomen Akatemian kvanttiteknologian QTF-huippuyksikköä OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria hyödyntäen ja yhteistyössä VTT:n ja IQM Quantum Computersin kanssa. Sitä ovat rahoittaneet Euroopan tutkimusneuvosto (ConceptQ Advanced Grant), Jane ja Aatos Erkon säätiö sekä Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön Future Makers -ohjelma.

Artikkeli: András M. Gunyhó, Suman Kundu, Jian Ma, Wei Liu, Sakari Niemelä, Giacomo Catto, Vasilii Vadimov, Visa Vesterinen, Priyank Singh, Qiming Chen, Mikko Möttönen, Single-Shot Readout of a Superconducting Qubit Using a Thermal Detector, Nature Electronics, https://doi.org/10.1038/s41928-024-01147-7 (2024).

Lue lisää tutkimuksesta:

Artistic image of a graphene bolometer controlled by electric field. Credit: Heikka Valja.

Rajapyykki saavutettu - uusi säteilyilmaisin on riittävän nopea kvanttitietokoneisiin

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

Uutiset
A false colour electron microscope image of the bolometer, the scale bar shows a single bacteria, indicating how small the device is

Maailman vähäkohinaisin säteilyilmaisin voi auttaa kvanttitietokoneiden kehityksessä

Nanosäteilyilmaisin on myös edeltäjiään sata kertaa nopeampi, ja se pystyy toimimaan ilman taukoja.

Uutiset

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
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:

Lue lisää uutisia

Nesteen polttoainejalostamon tankit Porvoossa
Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Yhteistyö Aallon kanssa tuo Nesteelle merkittävää taloudellista hyötyä

Yhteistyön tuloksena Nesteen polttoainetutkimukseen tuotiin digitaalisia työkaluja perinteisen testaamisen rinnalle.
Tie lumisessa talvimaisemassa iltahämärässä.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkija selvitti: Pakkasen pauke syntyy pääasiassa taivaalla

Yleisen luulon vastaisesti pakkasen pauke ei olekaan peräisin esimerkiksi puista tai rakennuksista.
Sarjakuvamainen kuvituskuva Solip Parkin tutkimusmenetelmistä
Palkinnot ja tunnustukset Julkaistu:

Tohtoriopiskelija Solip Parkin artikkeli saa kunniamaininnan CHI 2024 -konferenssissa

Tohtoriopiskelija Solip Parkin artikkeli on hiljattain herättänyt huomiota arvostetussa CHI 2024 -konferenssissa, saaden kunniamaininnan.
Skanskan kehitysjohtaja Jan Elfving esiintyy Rakennustekniikan päivässä 2024
Yhteistyö Julkaistu:

Rakennustekniikka kutsuu yrityksiä mukaan tulevaisuuden kehitystyöhön

Jo keväiseksi perinteeksi muodostunut rakennustekniikan laitoksen järjestämä sidosryhmätapahtuma Rakennustekniikan päivä pidettiin 25.4.2024 Dipolissa Otaniemessä.