Kylmää ja kuumaa kvanttitekniikkaa

VTT:n tutkijat ovat kehittäneet täysin uudenlaisen sähkövirtaan perustuvan jäähdytysteknologian, joka voi tulevaisuudessa mahdollistaa harppaukset mm. kvanttitietokoneiden kehittämisessä.

“Uskomme, että tätä uutta puhtaasti sähköistä jäähdytysmenetelmää voidaan hyödyntää lukuisissa sovelluksissa kuten kvanttitietokoneiden miniatyrisoinnissa ja turvallisuussovelluksissa käytettävissä äärimmäisen herkissä säteilyilmaisimissa,” sanoo VTT:n tutkimusprofessori Mika Prunnila.

Nykyään kvanttipiirien jäähdytykseen käytetään laimennusjäähdytintä. Jäähdyttimen tekee erityisen monimutkaiseksi sen kylmin aste, jossa pumpataan heliumin isotooppien seosta. Vaikka laimennusjäähdyttimet ovat jo kaupallista teknologiaa, ne ovat kalliita ja suurikokoisia tieteellisiä laitteita.

VTT:n tutkijoiden kehittämä teknologia voisi korvata tuon monimutkaisen kylmimmän osan ja tehdä jäähdytysjärjestelmästä yksinkertaisemman ja pienentää sen kokoa ja hintaa merkittävästi. Uutta menetelmää voidaan käyttää kvanttipiirien aktiiviseen jäähdytykseen suoraan piisirulla tai suuren mittakaavan jäähdyttimissä.

EU-projektin EFINED-hankkeessa VTT:n tutkijat etsivät tehokasta ja käytännöllistä menetelmää siirtää lämpöä sähkövirran kuljettamien vapaiden elektronien avulla.

Tutkijat todensivat ilmiön jäähdyttämällä piisirun suprajohde-puolijohde -liitoksilla. Tällaisessa liitoksessa suprajohteen kielletyt energiatilat muodostavat elektroneille jäähdytykseen vaaditun esteen, jotta lämpöä voidaan siirtää pois puolijohteesta, tässä tapauksessa piistä. Samanaikaisesti liitos sirottaa fononeja, eli haittaa niiden liikettä liitoksen läpi niin tehokkaasti, että sähkövirralla saadaan aikaan merkittävä lämpötilaero liitoksen yli.

”Näemme, että kyse on ilmiömaailmasta, joka voidaan havaita lukuisissa koejärjestelyissä kuten esimerkiksi yksittäisiin molekyyleihin pohjautuvissa liitoksissa,” toteaa VTT:n tutkija Emma Mykkänen.

Jo pitkään tutkijat ovat etsineet tapoja jäähdyttää molekyylejä erittäin kylmiin lämpötiloihin, jotta tutkijat voisivat hallita niiden kvanttikäyttäytymistä. Tämä voisi antaa tutkijoille mahdollisuuden käyttää molekyylejä monimutkaisina bitteinä kvanttilaskennassa.

Vaikka tutkijat ovat superjäähdyttäneet atomeja, saman tekeminen molekyyleille, joiden käyttäytyminen ja rakenne ovat monimutkaisempia, on osoittautunut huomattavasti suuremmaksi haasteeksi.

Nyt MIT:n fyysikot ovat löytäneet tavan jäähdyttää natriumlitiummolekyylejä 200 miljardisosan Kelviniin.

UNSW Sydneyn professori Andrew Dzurakin johtamat tutkijat ovat puolestaan toteuttaneet konseptitodistuksen piillä olevalla kvanttiprosessoriyksiköllä, joka toimii 1,5 Kelvinillä - 15 kertaa lämpimämpi kuin tärkein kilpaileva sirupohjainen tekniikka.

1,5 Kelvinin lämpötila voidaan saavuttaa käyttämällä vain muutaman tuhannen dollarin arvoista jäähdytyslaitteistoa kun 0,1 Kelvinin saavuttamiseen tarvitaan miljoonien dollareiden jäähdytyslaitteistoa.

UNSW:n tutkijat uskovat voittaneensa yhden vaikeimmista esteistä, jotka ovat kvanttitietokoneiden toteuttamisen esteenä ja ovat nimenneet edistysaskeleen peräti kuumiksi kubitiksi.

Myös Intel ja sen yhteistyökumppani QuTech kertovat kehittävänsä spin qubit -teknologiastaan versiota, joka pystyy toteuttamaan kaksi kubittiporttia 1,1 Kelvin lämpötilassa. Kumppanukset ovat kehittämässä myös kubittien ohjaussirua, joka on suunniteltu toimimaan 3 Kelvinin lämpötilassa.

Aiheesta aiemmin:

Integroidun kvanttipiirin toiminta mahdollista

Tuttu pii houkuttaa kvanttitietotekniikkaa