Tutkijat keksivät, miten yhden fotonin energian saa pilkotuksi

Matalaenerginen kvanttibitin säteilemä fotoni voidaan mahdollisesti havaita mittaamalla sen energia kahdella lämpömittarilla samanaikaisesti. Havaitut kaksi signaalia voidaan yhdistää niin kutsutussa ristikorrelaatiomittauksessa, jolla saavutetaan ylivoimainen herkkyys. Kuva: Bayan Karimi.

Suprajohtavat kubitit ja muut keinotekoiset kvanttijärjestelmät säteilevät mikroaaltofotoneja eli valokvantteja, joilla on hyvin pieni energia. Niiden jatkuva havainnoiminen on haastavaa. Taustakohinan seasta tulee pystyä havaitsemaan hädin tuskin erottuvia, äärimmäisen pieniä energiamuutoksia. Onnistuessaan mittauksesta olisi paljon hyötyä kvantti-informaation prosessoinnissa ja muissa kvanttiteknologian sovelluksissa.

Aalto-yliopiston professori Jukka Pekola ja tohtorikoulutettava Bayan Karimi mallinsivat nyt teoreettisesti yksittäisen mikroaaltofotonin uudella tavalla.

Menetelmässä havainnoidaan suprajohtavaa kubittia, joka muuttaa tilaansa ja säteilee samalla energiaa yksittäisinä kvantteina ympäristöönsä. Tutkijoiden ratkaisu tuon äärimmäisen pienen energiamäärän havaitsemiseen on muuntaa se lämmöksi. Mittausta voidaan tehostaa käyttämällä samanaikaisesti kahta kvantti-ilmaisinta eli kalorimetria. Tämä parantaa huomattavasti signaali-kohinasuhdetta eli kvantti-ilmaisimen hyötysignaalin suhdetta mittausta häiritsevään kohinaan.

”Kalorimetrin avulla havaittavat energiat eli lämpötilanmuutokset ovat mallimme mukaan monta kertaluokkaa pienempiä kuin aikaisemmin käytetyissä menetelmissä. Mittari on siis todella herkkä”, Karimi sanoo.

Tutkijat suunnittelevat parhaillaan toteuttavansa koejärjestelyn nyt luodun teoreettisen mallin mukaisesti. Edessä on vielä paljon avoimia kysymyksiä.

”Aikaisemmin ei ole pystytty toteuttamaan ja havainnoimaan fotonin energian jakamista kahteen eri ilmaisimeen. Rakennamme parhaillaan näytettä ja kehitämme ilmaisimia koejärjestelyä varten. Kokeen suorittaminen on äärimmäisen haastavaa, mutta onnistuessaan se on unelmien täyttymys”, Karimi sanoo.

Jos suunnitteilla oleva kvantti-ilmaisin pystyy kokeellisesti mittaamaan yksittäisen fotonin energian, se on hyödyllinen kvantti-informaatioon ja -teknologioihin, termodynamiikkaan, kvanttijärjestelmiin, -antureihin ja -tietokoneisiin liittyvissä sovelluksissa.

Ratkaisu perinteisen Schrödingerin yhtälön avulla

Pekola ja Karimi esittelivät äärimmäisen herkän kalorimetrin kaksi vuotta sitten, ja Physics World listasi sen yhdeksi kvanttitutkimuksen keskeiseksi saavutukseksi vuonna 2020. Kalorimetri mittaa erittäin pieniä muutoksia, ja samalla pyritään siihen, että se ei itse vaikuttaisi mittauksen kohteena oleviin kvanttitiloihin.

Tutkijat käyttivät haasteen ratkaisemiseen perustyökalua, Erwin Schrödingerin vuonna 1926 kehittämää kvantti-ilmiöitä kuvaavaa Schrödingerin aaltoyhtälöä. Tutkijat onnistuivat teoreettisen mallinsa avulla ratkaisemaan yhtälön koejärjestelyä vastaavassa tilanteessa täsmällisesti. He onnistuivat kuvaamaan sen avulla koko avoimen kvanttijärjestelmän, jossa otetaan huomioon vuorovaikutus ympäröivän maailman kanssa.

”Kubitin säteilemä energia on suuri verrattuna kvanttijärjestelmän ympäristön lämpöenergiaan, ja siksi pystyimme matemaattisesti ratkaisemaan aaltoyhtälön kaikkiaan jopa miljoonalle kvanttijärjestelmään vaikuttavalle ulkopuoliselle värähtelijälle”, Pekola sanoo.

Tämä tarkoittaa, että kalorimetrin havaitsemat muutokset voidaan ainakin teoriassa hallita.

Tutkimuksessa liikutaan kvantti- ja klassisen fysiikan välimaastossa. Kvanttimekaniikka kuvailee tarkasti kvanttimaailman ilmiöitä, mutta arkielämässä sen lainalaisuudet ovat joskus vaikeasti ymmärrettäviä.

”Avoimessa kvanttijärjestelmässä jotkut osat kuuluvat kvanttimaailmaan ja toiset klassiseen ympäristöön. On kiehtovaa yrittää selvittää miten nämä osat pelaavat yhteen, missä on se raja niiden välillä ja miten esimerkiksi lämpötilanmittaus voidaan sovittaa tähän ongelmaan”, Pekola sanoo.

Tutkimusryhmä on osa Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikköä (QTF) ja kansallista kvantti-instituuttia (InstituteQ). Karimi on työskennellyt tohtorikoulutettavana Marie Curien ITN-hankkeessa “QuESTech”, ja hän tekee nyt tutkimusta Helsingin yliopistolla tiiviissä yhteistyössä Aallon tutkimusryhmän kanssa.

Lisätietoa:

Artikkeli: Ultrasensitive calorimetric detection of single photons from qubit decay