911������

Suprajohtavat kubitit ovat kvanttiteknologioiden rakennuspalikoita. Niiden potentiaali mullistaa taloutta, teollisuutta ja yhteiskuntaa on valtava, mutta toistaiseksi ratkaistavana on monia teknisiä ongelmia. Kubitit eivät toimi kuin sekunnin murto-osien verran, ne vaativat erityisiä olosuhteita ja niissä esiintyy paljon virheitä. 

Suprajohtimien laitteiden karakterisointi on tärkeä osa niiden kehitystyötä. Se perustuu usein radiotaajuuksien mittaamiseen, mihin tarvitaan monimutkaisia ja kalliita laitteita. Toinen vaihtoehto on keskittyminen lämpötilaan, mikä on huomattavasti suoraviivaisempaa.

Nyt Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Jukka Pekola, tutkijatohtori Christoforus Dimas Satrya ja OtaNanon tutkija Yu-Cheng Chang ovat kehittäneet kvanttisirulle sijoitettavan bolometrin, joka tekee kubitin lämpötilan seuraamisesta huomattavasti aiempaa helpompaa ja halvempaa. 

Tutkimus julkaistiin arvostetussa Nature Communications -lehdessä:

“Bolometrimme toimii havainnoimalla sähkön tasavirtaa, mikä on paljon yksinkertaisempaa kuin aiempi radiotaajuuksiin perustuva mittaaminen”, Satrya sanoo.

Kubitin kanssa samassa kvanttisirussa sijaitseva bolometri havaitsee äärimmäisen pienen hiukkasen nimeltään fotonin, joka karkaa suprajohtavaksi resonaattoriksi kutsutusta komponentista. Fotoni saa bolometrin lämpötilan nousemaan, mikä puolestaan havaitaan mittaamalla sen sähkövirtaa. Yleensä näin pienien lämpötilamuutosten mittaaminen ultrakylmissä kvanttiolosuhteissa on kallista ja hankalaa.

“Kvanttimittauksiin tarvitaan erilaisia osia kuten vahvistimia ja isolaattoreita, jotka voivat maksaa jopa tuhansia euroja. Lisäksi ne saavat aikaan suprajohtimille haitallisia magneettikenttiä ja kuluttavat paljon energiaa. Meidän laitteellamme mitään näistä ei tarvita”, Chang sanoo. 

Suoraviivaisuuden lisäksi keksinnön toinen valttikortti on yli kymmenkertainen taajuuksien skaala aiempaan verrattuna.

“Radiotajuuksien mittaamisen skaala on noin neljästä kahdeksaan gigahertsiä, kun meillä yläraja on 200. Se tarkoittaa, että tutkija voi hyödyntää sekä hyvin matalia että hyvin korkeita taajuuksia samalla laitteistolla”, Satrya jatkaa. 

Keksintö on merkittävä apu entistä parempien kvanttiteknologioiden kehittämisessä. 

“Nykyään on trendi, jossa tutkijat haluavat karakterisoida kubitteja käyttäen aina vaan korkeampia taajuuksia. Se ei ollut mahdollista aiemmilla laitteistoilla”, Pekola sanoo. 

Tieteellisen tutkimustyön lisäksi bolometriä voisi käyttää myös teollisuudessa. 

“Sen voisi helposti integroida esimerkiksi kvanttilaitteiden tuotantolinjaan tutkimaan niiden ominaisuuksia tarkemmin ennen valmistusprosessin seuraavia vaiheita”, Chang sanoo. 

Tutkijat hyödynsivät Suomen kansalliseen nano-, mikro- ja kvanttiteknologioiden tutkimusinfrastruktuuri OtaNanoon kuuluvia Micronovan puhdastiloja tutkimuksessaan.