Uutiset

Mullistava valonlähde voi tuoda lisätehoa ja -turvaa kvantti-informaation siirtämiseen

Julkaistu:
Kvanttilomittumiseen perustuva LED-valonlähde räätälöidään kerros kerrokselta yhden atomin paksuisista tasoista.
Schematic view of the entangled photon generator. Picture: Ethan D. Minot.

Kaaviokuva suprajohtavasta fotonien lomittumisgeneraattorista. Tummansininen pohjakerros on suprajohde, josta pariutuneet, lomittuneet elektronit tunneloituvat vaaleansinisen kerrosrakenteen läpi ylempiin kerroksiin. Lomittunut fotonipari syntyy, kun tunneloituneet elektronit siirtyvät samanaikaisesti vapaana oleviin matalampiin energiatiloihin. Kuva: Ethan D. Minot.

Lomittuminen on kvanttimekaniikan keskeisin ilmiö, jonka ansiosta kaksi valohiukkasta eli fotonia voi olla yhteydessä toisiinsa – välimatkasta riippumatta. Tähän ominaisuuteen perustuu myös kvanttiteknologioiden valtava teho. Kvanttitietokoneiden, -sensorien ja -kryptografian kehitys vaatii kuitenkin uusia, tehokkaampia fotoniparien lähteitä.

Nyt Aalto-yliopistossa aletaan rakentaa vallankumouksellista fotoniparien kvanttilomittumiseen perustuvaa LED-valonlähdettä professori Pertti Hakosen johdolla. Tutkimusryhmä on saanut työhön Jane ja Aatos Erkon säätiöltä ja Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiöltä kolmivuotisen Tulevaisuuden tekijät -ohjelman rahoituksen.

”Aikaisemmin lomittuneita fotoneja on tuotettu epälineaarisilla kiteillä, mikä on hyvin kömpelöä ja aika lailla tehotonta: ulos saadaan muutama lomittunut kvanttipari satunnaisesti ja huonolla hyötysuhteella”, Hakonen kertoo.

Nyt käynnistyvässä hankkeessa tutkijat kehittävät lomittuneille fotoneille tehokkaan, kompaktin, kirkkaan ja kontrolloitavan lähteen. Se perustuu moderniin materiaalitekniikkaan, jossa yhden atomitason paksuisia kerroksia voidaan liittää toisiinsa räätälöidysti kerros kerrokselta. Kerrokset voivat olla erimerkiksi grafeenia, nitridiä tai sulfidia.

Pertti Hakonen in the laboratory, photo by Mikko Raskinen.

Räätälöity kerrosrakenne mahdollistaa sen, että elektronien tunneloituminen eli niiden ajaminen materiaalin läpi tuottaa lomittuneen valon

Pertti Hakonen

Kohti kvantti-internetiä

Lomittunut fotonigeneraattori pystyttäisiin helposti integroimaan myös kvanttitietokoneiden jäähdyttämiseen tarvittaviin kryostaatteihin. Tämä mahdollistaisi nopean kvanttikommunikaation erillisten, kaukanakin toisistaan olevien kvanttiprosessorien välillä. Toisiinsa kytketyt yksittäiset kvanttitietokoneet voivat muodostaa kvantti-internetin, jonka välityksellä voidaan tulevaisuudessa suorittaa myös hajautettua kvanttilaskentaa.

”Hajautetun kvanttilaskennan ansiosta suuret kvanttiprosessorit voidaan muodostaa rakenteeltaan yksinkertaisista kvanttitietokoneista, mikä vähentää operoinnin haasteita”, Hakonen kertoo.

Tehokkaita lomittumisgeneraattoreita tarvitaan myös nopeasti kehittyvässä kvanttikryptografiassa eli tiedon salauksessa. Lomittuneisiin fotoneihin perustuvat salausavaimet mahdollistaisivat äärimmäisen turvallisen tiedonsiirron.

”Mikä tahansa salakuunteluyritys rikkoo lomittumisen, jolloin salakuuntelu ei ole mahdollista ja viestiin jää myös jälki, joka on helppo havaita.”

Professori Zhipei Sun ryhmineen osallistuu näytteiden valmistustekniikoiden ja laitteen tuottamien lomittuneiden fotonien luokittelun kehittämiseen. Hakosella ja Sunilla on yhteinen laitteisto, joilla voi pinota erittäin ohuita ja reaktioherkkiä kerrosrakenteita. Myös Aallossa kesään 2022 saakka vierailulla olevalla Oregonin yliopiston professori Ethan D. Minotilla on hankkeessa keskeinen rooli. Kryostaattien osalta hankkeen yrityskumppanina on Aallon spinoff-yritys Bluefors.

Hankkeen ohjausryhmässä on mukana muun muassa infrapunakameroihin keskittyvän Emberion-yrityksen teknologiajohtaja Tapani Ryhänen. Hollantilaisen Single Quantum -yrityksen tutkimuksesta vastaava johtaja Val Zwiller ja sveitsiläisen Terra Quantum -yrityksen teknologiakehityksestä vastaava professori Gordey Lesovik ovat myös hankkeessa yhteistyökumppaneina.

Tutkimushanke tukee Fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaivaa (PREIN), joka on yksi Suomen Akatemian rahoittamista osaamiskeskittymistä. Tutkijat ovat osa kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland (QTF) ja kansallista kvantti-instituuttia (InstituteQ). Kokeissa hyödynnetään kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria. Hankkeessa hyödynnetään erityisesti uutta Blueforsin kryostaattia, joka hankittiin Aaltoon Suomen Akatemian tutkimusinfrastruktuureille suunnatulla FIRI-rahoituksella vuoden 2021 lopulla.

Lisätietoja:

Pertti Hakonen

Professori
[email protected]
+358503442316

Tutustu muihin Tulevaisuuden tekijät -ohjelman hankkeisiin:

Physicists at Aalto University and VTT have developed a new detector for measuring energy quanta at unprecedented resolution. Photo: Aalto University

Tutkijat kehittivät maailman tarkimman säteilyilmaisimen – nyt se räätälöidään osaksi kvanttitietokoneita

Professori Mikko Möttönen on tiiminsä ja yhteistyökumppaniensa kanssa saanut Jane ja Aatos Erkon säätiöltä ja Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiöltä Tulevaisuuden tekijät -ohjelman rahoituksen. Sen avulla he haluavat jalostaa bolometriteknologian osaksi paitsi kvanttitietokoneita myös superpakastimia ja terahertsikameroita. Kyseessä olisi ensimmäinen kerta, kun uutta bolometria hyödynnetään käytännön sovelluksissa.

Uutiset
Päivi Törmä ja Sebastiaan van Dijken

Tietokoneet haaskaavat valtavasti energiaa – nyt tutkijat kehittävät laskentaa, joka tuottaa huomattavasti vähemmän hukkalämpöä

Nykyiset tietokoneet ovat suuria energiasyöppöjä. Aalto-yliopiston tutkijat ovat juuri saaneet merkittävän Tulevaisuuden tekijät -rahoituksen ongelman ratkaisemiseksi.

Uutiset
Taiteellinen kuva panssaroidusta superhydrofobisesta pinnasta, joka kestää iskuja ja hylkii nesteitä tehokkaasti. Kuva: Juha Juvonen.

Vettä hylkivä panssaripinnoite voi pian tehostaa aurinkopaneeleja ja tuoda suksiin lisäluistoa

Kesäkuussa Aalto-yliopiston tutkijat kertoivat kehittämästään pinnoitteesta Nature-lehdessä. Nyt pinnoitteesta aletaan kehittää lukuisia kaupallisia sovelluksia muun muassa rakennus- ja elektroniikkateollisuuden kanssa.

Uutiset
The computer game could help in the treatment of depression alongside therapy and drug treatment. Picture: Matias Palva’s research group, Aalto University.

Tutkijat kehittävät tietokonepeliä masennuksen hoitoon

Terapeuttisen toimintavideopelin pelaaminen voi helpottaa masennuspotilaiden oireita ja parantaa heidän kognitiivista toimintakykyään.

Uutiset
Because of its lightness, its heat insulation properties, and its strength, the foam material can also be used for insulation in buildings if it is both resistant to humidity and fire safe. Picture: Mikko Raskinen.

Iskuja ja kuumuutta kestävä puuvaahto haastaa muovin ja sopii jopa syötäväksi

Uusi biomateriaali voisi korvata esimerkiksi styroksin ja kuplamuovin. Materiaalin kehitystä vauhditetaan tekoälyn avulla.

Uutiset
A solar panel printed in the shape of the aalto 10th birthday party logo

Edullinen aurinkokenno, joka myös näyttää hyvältä? Uusi teknologia mahdollistaa kennon painattamisen suoraan ikkunaan ja parvekekaiteeseen

Kennot voidaan valmistaa mustesuihkutulostimella ja silkkipainatuksella, ja niitä on myös mahdollista kuvioida tarpeiden ja toiveiden mukaan. Uuden teknologian myötä rakennukseen ei enää tarvittaisi erillisiä aurinkopaneelialueita.

Uutiset
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:

Lue lisää uutisia

An artistic rendering of two chips on a circuit board, one is blue and the other is orange and light is emitting from their surf
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijoiden tavoitteena on korjata kvanttivirheet huoneenlämmön sijaan superkylmässä lämpötilassa

Kvanttitietokoneiden kehityksessä yksi suurimmista haasteista on se, että kvanttibitit eli kubitit ovat liian epätarkkoja. Tarvitaan siis tehokkaampaa kvanttivirheen korjausta, jotta kvanttitietokoneita voidaan tulevaisuudessa ottaa laajemmin käyttöön. Professori Mikko Möttösellä on kvanttikorjaukseen uudenlainen ratkaisuehdotus, ja sen kehittämiseksi hän on saanut kolmevuotisen apurahan Jane ja Aatos Erkon säätiöltä.
Kaksi henkilöä, toinen yllään viininpunainen paita sisätiloissa, toinen valkoinen paita ulkona.
Nimitykset, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Elektroniikan ja nanotekniikan laitoksella aloitti kaksi uutta apulaisprofessoria

Sähkötekniikan korkeakoulun Elektroniikan ja nanotekniikan laitos sai syksyllä kaksi uutta apulaisprofessoria. Lue Kim Kwantaen ja Paul Verrinderin ajatuksia aloittaessaan Aalto-yliopistolla.
Henkilö työvaatteissa ja kypärässä työskentelee luolassa kiviseinällä työkaluilla.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Uusi keksintö kallion jännitystilan seurantaan – Voi mullistaa kaivosten turvallisuuden ja louhintatehokkuuden

Menetelmän avulla on mahdollista seurata kallion jännitystilaa reaaliaikaisesti. Sen avulla voidaan ehkäistä ja ennakoida sortumia sekä tehostaa louhintaa.
Kuusi maaperänäytettä, joissa ituja eri kehitysvaiheissa eri maatyypeissä.
Yhteistyö, Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Rakennusjätepuulle uusi elämä kasvualustana

Suomessa rakennusjätepuu päätyy lähes kokonaan polttoon, vaikka sillä voisi olla merkittävä rooli ekologisten kasvualustojen kehittämisessä. Uudet tutkimukset osoittavat, että höyrykäsitelty jätepuu voi korvata kasvualustana turpeen ja se tarjoaa lupaavia tuloksia kasvien itävyydessä ja juurien kasvussa.