Tutkijat todistivat kvanttitietokonetta häiritsevien kvasihiukkasten katoamisen

Kvanttitietokoneiden kubittien piirit tehdään suprajohtavista materiaaleista, joissa ei ole lainkaan sähkövastusta.

Suprajohtavuus ja siten kubittien suorituskyky heikkenee, jos suprajohteissa on pariutuneiden elektronien eli Cooperin parien lisäksi pariutumattomia elektroneja eli kvasihiukkasia.

”Vaikka kvasihiukkasia olisi vain yksi miljardia Cooperin paria kohden, se rajoittaa kvanttibittien suorituskykyä eikä kvanttitietokone voi toimia virheettömästi. Jos pariutumattomia hiukkasia on enemmän, myös kubitin elinikä on lyhyempi”, sanoo Aallossa kvasipartikkeleita tutkinut Elsa Mannila, joka nykyisin työskentelee VTT:llä.

Aalto-yliopiston tutkijat havainnoivat yhdessä Lundin yliopiston ja VTT:n tutkijoiden kanssa reaaliaikaisesti pienellä alumiinisaarekkeella olevien kvasihiukkasten määrää. Tutkijat pystyivät varausilmaisimen avulla tarkkailemaan, miten Cooperin parien hajoamisesta syntyvät parittomat elektronit tunneloituivat eli karkasivat yksi kerrallaan pois alumiinisaarekkeelta noin sadan mikrosekunnin kuluessa.

Alumiinisaareke oli kokeessa sekunteja ilman ylimääräisiä elektroneja – paljon pidempään kuin mitä suprajohtavilta kvanttibiteiltä kuluu operaatioiden suorittamiseen.

”Kvasihiukkasista halutaan aina eroon. Tutkimus on siten olennainen askel ideaalisesti toimivien suprajohtavien laitteiden rakentamisessa”, kertoo professori Jukka Pekola.

Sadan päivän koe

Tutkijat seurasivat tutkimuksessa Cooperin pareja yhteensä yli sadan päivän ajan. He pystyivät mittaamaan sähkövarausta reaaliaikaisesti ja äärimmäisen tarkasti yhden yksittäisen elektronin tasolla.

Kokeessa laitetta vuoroin jäähdytettiin ja vuoroin lämmitettiin. Jotkut materiaalit ovat korkeassa lämpötilassa osin virittyneessä tilassa ja jäähdyttäessä virittynyt tila purkaantuu hiljalleen. Samalla lämpöä vapautuu säteilemällä ympäristöön. Lämmön vapautuminen voi johtaa Cooperin parien hajoamiseen, eli vapautunut säteily ja lämpö rikkovat elektronipareja. Sähkövarauksen purkautuminen osoittaa Cooperin parin hajoamisen.

”Halusimme ottaa selvää, milloin Cooperin parit hajoavat ja montako paria hajoaa kerrallaan”, sanoo Pekola.

Kun tutkijat alkoivat jäähdyttää laitetta, Cooperin pareja meni aluksi rikki parikymmentä kertaa sekunnissa. Yhdessä tällaisessa parien rikkoutumista seuranneessa purskeessa oli suurimmillaan kaksikymmentä paritonta elektronia kerrallaan.

”Sen jälkeen, kun laite oli jäähdytetty hyvin matalaan lämpötilaan, alle -273 asteeseen, järjestelmä rauhoittui hiljalleen ja kvasihiukkasia syntyi alumiinisaarekkeella enää muutamia kertoja sekunnissa. Se oli yllättävää; kukaan ei ollut aikaisemmin havainnut sitä, että Cooperin parien rikkoutuminen käy harvinaisemmaksi, kun lämmön vapautuminen lakkaa”, sanoo Mannila.

Purskeiden väliset pitkät hiljaiset ajat olivat yksittäisten hajoamistapahtumien välisiä, sekuntien mittaisia taukoja, jolloin alumiinisaarekkeella ei ollut kvasihiukkasia.

”Kun laite lämmitetään ja koe aloitetaan uudelleen, kaikki alkaa alusta. Alun rauhattomuus johtuu mahdollisesti materiaaleissa olevista epäpuhtauksista. Kyse on siitä, että materiaaleissa olevat epäpuhtaudet jäähtyvät paljon hitaammin kuin laite”, sanoo Pekola.

Tutkimustuloksia voidaan hyödyntää paitsi kvanttitietokoneiden myös muiden suprajohtavien laitteiden kehitystyössä. Suprajohtavilla sähköpiireillä on sovelluksia muun muassa äärimmäisen herkkinä säteilynilmaisimina ja metrologisissa eli mittateknisissä laitteissa.

Tutkimus perustui Aallossa tehtyyn alumiinirakenteeseen, kokeeseen ja mittauksiin, joita ensin suunniteltiin ja sitten analysoitiin yhdessä Lundin yliopiston tutkijoiden, erityisesti professori Peter Samuelssonin kanssa. Mittauksissa välttämätön äärimmäisen matalakohinainen vahvistin on kehitetty Kvanttiteknologian huippuyksikössä (QTF) ja VTT:llä. Tutkimuksessa on käytetty Aallon ja VTT:n yhteistä OtaNano-tutkimusinfrastuktuuria. Aallon tutkimusryhmä kuuluu myös kansalliseen kvantti-instituuttiin (InstituteQ).

Lisätietoa:

Artikkeli: Nature Physics: A superconductor free of quasiparticles for seconds, DOI: 10.1038/s41567-021-01433-7

Elsa Mannila
Tutkija
Aalto-yliopisto
[email protected]
puh. 050 304 3760
 

Jukka Pekola
Professori
Aalto-yliopisto
[email protected]
puh. 050 344 2697