Suprajohtava varahtelija

Kvanttifyysikot onnistuivat energian häviöiden ja siirtymien hallinnassa

Saavutus on tärkeä askel kvanttitietokoneiden toteuttamisessa ja fysiikan ymmärtämisessä.

Kubittien eli kvanttibittien tulee säilyttää energiatilansa mahdollisimman pitkään, jotta kvanttilaitteilla voidaan ratkaista käytännön kannalta tärkeitä ongelmia. Jos järjestelmässä on energiahäviöitä, kubitti muuttuu itsestään tilasta 1 tilaan 0, ja kvantti-informaatio tuhoutuu. Siksi tutkijat ympäri maailmaa ovat yrittäneet poistaa kvanttilaitteista energiahäviöt mahdollisimman hyvin.

Aalto-yliopiston dosentti Mikko Möttönen on lähestynyt tutkimusryhmänsä kanssa haastetta päinvastaisesta näkökulmasta.

“Ymmärsimme jo vuosia sitten, että kvanttitietokoneet tarvitsevat häviöitä toimiakseen tehokkaasti. Kaikkia häviöitä ei pidä poistaa, vaan olennaista on pystyä hallitsemaan niitä.”

11.3.2019 Nature Physics -lehdessä julkaistussa artikkelissaan Aalto-yliopiston ja Oulun yliopiston tutkijat osoittavat kokeellisesti, kuinka he voivat halutessaan nopeuttaa häviöitä tuhatkertaisiksi korkealaatuisessa suprajohtavassa värähtelijässä. Värähtelijöitä käytetään kvanttitietokoneissa.

“Kehittämämme kvanttipiirijäähdytin mahdollistaa häviöiden hallinnan. Tätä tarvitaan tulevaisuuden kvanttitietokoneiden rakentamisessa,” Möttönen sanoo.

Artikkelin pääkirjoittajan, Oulun yliopistossa työskentelevän akatemiatutkija Matti Silverin mukaan vielä merkittävämpi tutkimustulos löytyi kuitenkin yllättäen.

“Havaitsimme, että värähtelijän taajuus siirtyi, kun kytkimme häviöt päälle. Tämä löydös vei meidät aikamatkalle 70 vuoden taakse, jolloin nobelisti Willis Lamb teki ensimmäiset mittauksensa vetyatomin energiatilojen pienistä siirtymistä. Tämä on ensimmäinen kerta, kun ilmiö on kokeellisesti havaittu rakennetuissa kvanttisysteemeissä.”

Lambin tulokset olivat aikoinaan vallankumouksellisia. Ne osoittivat, ettei pelkän vetyatomin mallintaminen ollut riittävää, vaan samalla piti huomioida myös sähkömagneettinen kenttä, vaikka siinä ei olisi yhtään energiaa. Nyt tämä ilmiö on varmistettu kvanttisähköisissä piireissä.

Uuden löydön mahdollisti se, että häviöt – ja samalla myös energiasiirtymä – voidaan kytkeä päälle ja pois päältä. Näiden pienten energiasiirtymien hallinta on erittäin tärkeää kvanttilogiikan ja kvanttitietokoneiden toteuttamisessa.

“Käytännön ongelmia ratkovan kvanttitietokoneen rakentaminen on tällä hetkellä yksi yhteiskunnan suurimmista haasteista,” Möttönen pohtii.

Kvanttitietokonetta kehitetään parhaillaan useissa tutkimuslaitoksissa ja suuryrityksissä. Onnistuessaan sen uskotaan pystyvän ratkaisemaan nykyisiä tietokoneita paljon nopeammin eri laskentatehtäviä.

Tieteellinen artikkeli:

Matti Silveri, Shumpei Masuda, Vasilii Sevriuk, Kuan Y. Tan, Máté Jenei, Eric Hyyppä, Fabian Hassler, Matti Partanen, Jan Goetz, Russell E. Lake, Leif Grönberg, and Mikko Möttönen, Broadband Lamb shift in an engineered quantum system, Nature Physics.

DOI: 10.1038/s41567-019-0449-0 (2019)

 

Viimeksi päivitetty: 12.3.2019