Suurpetokeskus: Eläin­tar­ha­lu­pa pe­rut­tiin, poliisi jatkaa ri­kos­tut­kin­taa

Pääkirjoitus: Puun käyt­tö­kat­toa ei saa ulottaa hak­kuu­täh­tei­siin

Kvant­ti­tut­ki­mus harp­pa­si eteen­päin Oulun yli­opis­ton ja Aal­to-yli­opis­ton yh­teis­työ­nä – kvant­ti­las­ken­nan avulla voisi mal­lin­taa esi­mer­kik­si il­mas­ton­muu­tos­ta

Oulun yliopisto ja Aalto-yliopisto edistivät yhdessä jäähdytysteknologiaa ja yllättäen kvanttimekaniikan teoriaakin.

-
Kuva: Pekka Peura

Oulun yliopisto ja Aalto-yliopisto edistivät yhdessä jäähdytysteknologiaa ja yllättäen kvanttimekaniikan teoriaakin.

Tutkijat ympäri maailmaa kehittävät äärimmäisiä laskutoimituksia ratkaisevia kvanttitietokoneita. Kun tähän asti niin sanotuista kvanttibiteistä on pyritty etukäteen minimoimaan häviöt, niin Oulun yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkijaryhmä totesi, että olennaista onkin hallita aktiivisesti energian häviöitä ja siirtymiä. Tässä auttaa tutkijoiden kehittämä uusi teknologia, niin sanottu kvanttijäähdytys.

Nature Physics -verkkojulkaisussa vasta ilmestyneen tutkimusraportin pääkirjoittaja on akatemiatutkija, dosentti Matti Silveri Oulun yliopiston Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksiköstä.

Kun klassinen perusyksikkö on bitti, niin kvanttimekaniikassa yksikkö on kvanttibitti eli kubitti.

Kvanttibitillä on hyvin poikkeavia ominaisuuksia.

– Se voi olla tilassa, jossa se on yhtä aikaa nolla ja yksi. Tämän superposition lisäksi kaksi kvanttibittiä voivat myös lomittua keskenään tiloihin, joita ei klassisen fysiikan keinoin saada aikaan, Silveri kertoo.

Kvanttibitit ovat erittäin herkkiä. Albert Einstein piti kvanttifysiikan ilmiöitä jopa ärsyttävinä, mutta nykyään niihin suhtaudutaan hyödyllisinä ominaisuuksina.

Kvanttimekaniikka, jonka avulla kuvataan pikkuruisia atomitason ominaisuuksia, keksittiin 1920-luvulla. Ymmärrys alkoi lisääntyä 1940-luvulla.

– Viimeisen 20 vuoden aikana on opittu hallitsemaan sitä: pystytään muokkaamaan erilaisia kvanttitiloja.

Silverin mukaan kvanttimekaniikka luo tavallaan uudentyyppistä transistoria ja elektroniikkaa.

– Kvanttibitti rakentaa uudenlaista tapaa prosessoida informaatiota.

Kvanttibitit on pyritty eristämään tiukasti, etteivät ne pääsisi kontaktiin ja vaihtamaan energiatilaansa ympäristönsä kanssa. Tutkijat halusivat kuitenkin selvittää yksittäisten kvanttibittien avulla erilaisia energiatasoja.

Mittaukset tehdään suprajohtavilla sähköpiireillä, jotka toimivat lähellä absoluutista nollapistettä.

Lämpötilan on oltava hyvin matala ja ympäristön kohinaton. Niinpä akatemiatutkija Mikko Möttönen kehitti ryhmineen Aalto-yliopistossa kvanttibitin eteen eräänlaisen “lisäjääkaapin“, kvanttipiirijäähdytyslaitteen.

– Laite pystytään kytkemään päälle ja pois. Se on kuin ovi, jonka kautta voidaan poistaa energiaa: tarvittaessa auki tai kiinni, Silveri kuvaa.

Oven avaus vauhdittaa kvanttibittien energiahäviötä jopa tuhatkertaisesti.

Aluksi systeemin rakenne muuttui. Syytä ei heti ymmärretty, kunnes kuin bonuksena päästiin ihan yllättäen hankalasti havaittavan niin sanotun Lambin siirtymän jäljille. Ilmiöön törmättiin 1940-luvulla.

– Se oli vallankumous jo aikanaan. Ajateltiin, että riittää vain tarkastella vetyatomia. Ratkaisu oli, että pitääkin tarkastella atomia ja ympäristöä yhtäaikaa, Silveri kertoo.

Sähkömagneettinen ympäristö siis vaikuttaa kvanttisysteemiin, vaikka se olisi tyhjiötilassa, ilman energiaa. Kuinka nopeasti energia taas poistuu, riippuu siitä, miten voimakas kytkentä on ympäristöön. Silverin mukaan ilmiötä ei ole aikaisemmin havaittu ihmisen rakentamissa järjestelmissä.

Kvanttifysiikkaa yläasteelta asti

Fysiikan tutkimus ei ole akatemiatutkija Matti Silverin mukaan mitään heureka-hetkiä, vaan ennemminkin eri tutkijoilta tulevia töytäisyjä oikeaan suuntaan.

– Ensin kokeillaan jotakin ja sitten korjataan. Ei fysiikkaa tehdä yksin, se on ryhmätyötä.

Silveri joutui fysiikan pauloihin yläasteella Kemin Karihaarassa, kun fysiikan opettaja tarjosi ylimääräisenä materiaalina yleistajuisia kvanttimekaniikkakirjoja.

Silveri väitteli Oulun yliopistossa 2013 ja jatkoi kvanttimekaniikan syventämistä runsaat kaksi vuotta Yalen yliopiston kvantti-instituutissa Yhdysvalloissa perehtyen muun muassa kvanttivirheenkorjaukseen.

Viime syksynä Suomen Akatemia myönsi viisivuotisen apurahan, ja nyt kvanttitutkija kehittää Oulun yliopistossa kvanttisimulaatioiden ja suprajohtavien kvanttipiirien teoriaa.

Sekä väitöksessä että yhdessä Aalto-yliopiston kanssa mielenkiinto kohdistui yhteen kvanttibittiin, mutta puolenkymmenen tutkijan ryhmänsä kanssa Silveri perehtyy isompiin kvanttibittijoukkoihin.

– Meille se tarkoittaa noin 10–20:tä. Ne ovat jonomuodostelmassa ja tuntevat toisensa. Olemme kiinnostuneita siitä, voidaanko tästä rakentaa esimerkiksi materiamalleja, kuten suprajohtavuutta.

Lääkekemian ja ilmastonmuutoksen mallintamiseksi

Tutkimus tehtiin Kvanttilaskennan ja -laitteiden tutkimusryhmässä, joka on osa kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finlandia.

Akatemiatutkija Matti Silverin ryhmä Oulun yliopistossa on keskittynyt viime syksystä alkaen kvanttisimulaatioiden ja suprajohtavien kvanttipiirien teoriaan.

Niin IBM, Google, Intel kuin Microsoftkin kehittävät kvanttilaskentaa.

Kvanttibiteillä piirilevyn koko on mikrometrin luokkaa eli millin tuhannesosa.

Kvanttibitit ovat yhtä aikaa sekä päällä että pois päältä. Kun kvanttibittejä laitetaan yhteen tuhansia, saatetaan käsitellä yhtäaikaisesti valtavia tietomääriä, sillä kvanttibitit vaikuttavat toisiinsa viiveettä.

Kvanttilaskennalla mallinnettaisiin materiaaleja tai lääkekemiaa moninaisine atomeineen ja molekyyleineen, selvitettäisiin ilmastonmuutosta ja kehitettäisiin tekoälyä.

Kvanttisalausta on esitelty, mutta yleistä se ei vielä ole.

Suprajohtavat kubitit ovat yksi keino kehittää kvanttimekaniikkaa.

Niin IBM, Google, Intel kuin Microsoftkin kehittävät kvanttitietokonetta.