Tutkijoille läpimurto kubittien energiahäviöiden mittaamisessa – mahdollistaa tulevaisuuden tehokkaammat kvanttitietokoneet

Suprajohtavat kvanttibitit – eli kubitit – ovat esimerkiksi kvanttitietokoneiden ja äärimmäisen herkkien mittalaitteiden rakennuspalikoita. Nimensä mukaisesti suprajohteet kuljettavat sähkövirtaa erittäin tehokkaasti. Toisin kuin puolijohtimissa, suprajohtimissa sähkövirrasta katoaa vain äärimmäisen vähän energiaa matkan aikana.

Kubittien suprajohtavuuden mahdollistaa niin sanottu Josephsonin ilmiö, jossa kaksi toisiaan lähellä olevaa suprajohdinta synnyttää sähkövirran niitä erottavan esteen läpi. Aalto-yliopiston tutkijat ovat nyt ensimmäistä kertaa onnistuneet mittaamaan kubittien Josephson-liitoksissa tapahtuvaa energian haihtumista säteilynä.

Kvantti-ilmiöitä ja -laitteita tutkivan Aalto-yliopiston Pico-tutkimusryhmän tutkijatohtori Bayan Karimi osoitti, että aiemmin selittämättömän kubittien energiakadon syy löytyy juuri lämpösäteilystä. Tutkimus julkaistiin Nature Nanotechnology -lehdessä elokuun 22. päivä.

”Huolimatta nopeasta edistymisestä kubittien kehittämisessä, aiemmin on ratkaisematta jäänyt tärkeä kysymys: miten ja missä lämpöhäviö tapahtuu?”, Karimi toteaa.

Karimin mukaan kubitit ovat erittäin herkkiä häiriöille, jolloin niistä tulee herkästi epävakaita. Joskus muutos selittyy ulkoisella taustakohinalla, mutta Josephson-liitoksissa tapahtuvaa energian haihtumista säteilynä ja sen aiheuttamaan lämpenemistä ei ole hänen mukaansa aiemmin tutkittu kokeellisesti.

”Olemme tässä työssä mitanneet miten energia siirtyy Josephson-liitoksesta ympäristöön. Tutkimus perustuu Pico-ryhmän osaamiseen säteilevän energian mittaamisessa herkin lämpömittarein”, kertoo Aalto-yliopiston professori ja Pico-ryhmän johtaja Jukka Pekola.

Energiahäviöt sinänsä tunnetaan entuudestaan. Fyysikot ovat tehneet kokeita, joissa sadat Josephson-liitokset on sijoitettu jonossa samaan piiriin. Yksikin liitos riitti epävakauttamaan sitä seuraavat liitokset.

Alun perin Karimi ja Pekola tekivät kokeita useilla yhteen kytketyillä liitoksilla, kunnes he päättivät yksinkertaistaa koeasetelmaansa. Lopulta kokeissa havainnoitiin vain yhtä Josephson-liitosta, jonka jännitettä sitten hienosäädettiin. Karimi ja Pekola sijoittivat äärimmäisen tarkan lämpömittarin liitoksen viereen ja onnistuivat mittaamaan liitoksesta lähtevän erittäin heikon lämpösäteilyn eri taajuuksilla aina sataan gigahertziin saakka.

Fyysikot jatkavat tehokkaampien kubittien kehittämistä osana kilpajuoksua, jonka tarkoitus on parantaa lähitulevaisuuden kvanttitietokoneiden teknologiaa. Karimin ja Pekolan tuottama uusi tieto antaa tutkijoille ja insinööreille keinon ymmärtää kubittien häviöitä entistä paremmin. Kvanttitietokoneissa kauemmin koherentteina säilyvät kubitit mahdollistavat aiempaa suuremman määrän laskutoimituksia, johtaen lopulta niin monimutkaisiin laskutoimituksiin ettei niitä voi klassisilla tietokoneilla suorittaa.

Pico-ryhmän teoreettinen työ on tehty yhteistyössä Madridin yliopiston kanssa ja kokeellinen osuus InstituteQ Chair of Excellence -professori Charles Marcusin kanssa. Kokeessa käytettyjen laitteiden valmistamisessa käytettiin Suomen kansallista mikro- ja nanoteknologian tutkimusinfrastruktuuria, OtaNanoa. Lisäksi tutkimuksen mahdollisti Suomen Akatemia Quantum Technology Finland -huippuyksikön ja THEPOW-konsortiumin kautta.

Artikkeli:

Karimi, B., Steffensen, G.O., Higginbotham, A.P. et al. Bolometric detection of Josephson radiation. Nat. Nanotechnol. (2024). https://www.nature.com/articles/s41565-024-01770-7