Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat saavuttaneet merkittävän rajapyykin. Ryhmä on rakentanut uuden säteilyilmaisimen, jonka uskotaan olevan riittävän nopea kvanttitietokoneisiin.
Huippunopea ilmaisin on tehty grafeenista, yhden atomikerroksen paksuisesta hiilimateriaalista.
Nanokokoinen ilmaisin on niin pieni, että se mahtuisi bakteerin sisään.
Jäähdyttimen sisällä oleva kylmä levy, jonne tutkijat asettavat bolometrinsa. Kuva: Aalto-yliopisto
Uudella ilmaisimella voidaan mitata fotonien energiaa ja samalla määrittää kvanttitietokoneissa tarvittavien kubittien energiatila huomattavasti aiempaa tarkemmin ja nopeammin.
Läpimurtotutkimuksen tulokset julkaisi Nature-lehti.
Grafeenin oivalliset ominaisuudet
Säteilyilmaisimien eli bolometrien toiminta perustuu mitattavan säteilyn lämmittävään vaikutukseen.
Aalto-yliopiston professorin Mikko Möttösen ryhmä on tutkinut herkkiä bolometrejä jo vuosikymmenen ja onnistunut parantamaan niiden ominaisuuksia koko ajan.
”Nyt bolometrimme nopeus ja tarkkuus vaikuttavat olevan riittäviä kubittien sisältämän kvanttitiedon lukemiseen”, Möttönen sanoo.
Tutkimusryhmä rakensi jo aiemmin hyvän bolometrin kultapalladiumista. Se oli erittäin vähäkohinainen mutta vielä liian hidas.
Ratkaisuksi osoittautui kultapalladiumin korvaaminen grafeenilla.
Tässä tutkijat tekivät yhteistyötä professori Pertti Hakosen ryhmän kanssa, jolla on kokemusta grafeenipohjaisten laitteiden valmistuksesta.
Grafeenin salaisuus on, että sen lämmönvarauskyky on alhainen. Sen ansiosta grafeeni-ilmaisin havaitsee minimaaliset energianmuutokset alle mikrosekunnissa.
Näin uudesta ilmaisimesta tuli sata kertaa aiempaa nopeampi. Sen kehitystyö kuitenkin jatkuu.
”Voimme vielä tehdä paljon optimointia ilmaisimen parantamiseksi”, Hakonen kertoo.
Tutkijat pyrkivät saamaan ilmaisimesta vieläkin tarkemman ja kokeilemaan sitä kvanttisovelluksissa.
Kohina saatava pois
Kubittien energian mittaaminen on olennainen osa kvanttitietokoneiden toimintaa. Useimmat niistä määrittävät kubitin energiatilan mittaamalla siitä lähtevää jännitettä.
Jännitteen mittaamiseen liittyy kuitenkin haasteita. Siihen vaaditaan suuria vahvistinpiirejä, jotka rajoittavat ratkaisun hyödyntämistä suuremmassa mittakaavassa.
Lisäksi vahvistin kuluttaa paljon energiaa, ja jännitemittaukset sisältävät kvanttikohinaa, mikä aiheuttaa mittausvirheitä.
(Pääkuva Heikka Valja) Taiteilijan näkemys grafeenibolometrista, jota ohjataan sähkökentällä.
Aiheesta aiemmin:
