Oulun yliopiston Matti Silveri: Nobel-palkinto juhlistaa kvanttifysiikan kehittymistä kvanttiteknologioiksi
Matti Silveri toimi Yalen yliopistossa tutkijatohtorina vuosina 2013–2016, jolloin yhteistyö alkoi.
"Siellä on useita teoreettisia ja kokeellisia ryhmiä, jotka toimivat tiiviissä yhteistyössä. Minä työskentelin teoriaryhmässä ja hän veti yhtä kokeellista ryhmää. Tutustuimme erityisesti yhteisen tutkimusprojektin kautta, josta syntyi julkaisu Theory of remote entanglement via quantum-limited phase-preserving amplification", julkaisun pääkirjoittaja Silveri kertoo.
Nobel-palkinto osuu merkittävään ajankohtaan, sillä kuluva vuosi on YK:n Kansainvälinen kvanttitieteiden ja -teknologian juhlavuosi. Kvanttimekaniikka katsotaan syntyneen 100 vuotta sitten vuonna 1925. Silverin mukaan palkittu kolmikko on ollut ratkaiseva kvantti-ilmiöiden kokeellisessa havainnollistamisessa ja kvanttiteknologioiden kehittymisessä.
"Palkittujen eli John Clarken, Michel H. Devoretin ja John M. Martinisin tutkimusryhmä teki 1980-luvulla uraauurtavia kokeita suprajohtavilla sähköpiireillä, jotka osoittivat, että kvanttimekaniikka voi näkyä myös paljon atomin mittakaavaa suuremmissa ilmiöissä. Esimerkiksi sähköpiirin virrassa tai jännitteessä voidaan havaita kvanttimekaniikan peruspiirteitä: virta voi kulkea piirissä yhtä aikaa molempiin suuntiin (superpositioilmiö), tai elektroni voi tunneloitua pienen eristekerroksen läpi", Silveri selittää.
Aiemmin ajateltiin, että kvanttimekaniikka voi näkyä vain atomissa, yksittäisten elektronien tai esimerkiksi atomin ytimien tasolla. Tulosten myötä syntyi kokonaan uusi tutkimusala eli suprajohtaviin piireihin perustuva kvanttifysiikka.
"Kaikki palkitut ovat sen jälkeen johtaneet menestyksekkäitä tutkimusryhmiä suprajohtavien sähköpiirien alalla. Clarke UC Berkeleyssä, Devoret ensin Pariisissa ja sitten Yalessa sekä nykyisin UC Santa Barbarassa, ja Martinis UC Santa Barbarassa ja Googlella. He ovat luoneet perustan tutkimusalalle, josta ovat ponnistaneet muun muassa suomalaisen IQM:n sekä IBM:n ja Googlen kvanttitietokonekehitykset", Silveri toteaa.
Kvanttifysiikka ja erityisesti kvanttiteknologia ovat viime vuosina nousseet merkittäviksi murrosaloiksi. Yliopistot, tutkimuslaitokset ja yritykset kehittävät intensiivisesti kvanttitietokoneita, kvanttiviestintää ja kvanttiantureita.
"Kaikilla näillä aloilla odotetaan ominaisuuksia, joita ei voi toteuttaa niin sanotusti klassisilla menetelmillä. Kvanttilaskennan avulla voidaan ratkaista haastavia laskennallisia ongelmia esimerkiksi lääkekehityksessä ja materiaalitutkimuksessa. Tulokset voivat näkyä parempana terveytenä ja edistysaskeleina energia-alalla ja vihreässä siirtymässä", Silveri kuvaa.
Oulun yliopistossa Silverin johtama tutkimusryhmä tarkastelee sekä suprajohtavien kvanttilaitteiden fysiikkaa että kvanttilaskennan algoritmeja ja sovelluksia.
"Suprajohtavien kvanttilaitteiden fysiikka tarkoittaa sitä, että tutkitaan miten laitteet toimivat, mitä ilmiöitä tai ”virheitä” niissä tapahtuu tai miten niissä voidaan toteuttaa kvanttilaskennan perusoperaatioita eli kvanttiportteja", Silveri kertoo.
"Sovellustutkimuksessa käytämme esimerkiksi VTT:n 50-kubitin kvanttitietokonetta ja kehitämme sille ohjelmia, joilla voidaan laskea pienten molekyylien ominaisuuksia tai ratkaista optimointiongelmia", hän jatkaa.
Nobel-palkittu tutkimus näkyy siis suoraan myös Oulussa tehtävässä työssä: molemmissa tutkimussuunnissa hyödynnetään samoja suprajohtavia sähköpiirejä, joita Nobel-kolmikko on ollut kehittämässä. Kvanttiteknologialla on Silverin mukaan myös yhteiskunnallista ja strategista merkitystä.
"Kvanttiantureista haetaan korvaajaa esimerkiksi GPS-paikannukselle. Näen, että kvanttitutkimuksella ja -teknologialla on kasvava merkitys. Sitä korostavat valtioiden omat kvanttistrategiat ja investointisuunnitelmat", hän toteaa.
Työ- ja elinkeinoministeriö julkaisi Suomen kvanttiteknologiastrategian vuosille 2025-2035 tänä keväänä.