Suomalainen kvanttitutkimus on ottanut jälleen merkittävän askeleen. Aalto-yliopiston tutkijat ovat rakentaneet maailman ensimmäisen suprajohtavan kvanttilämpökoneen. Laite osoittaa, että tutuista lämpökoneista tunnettuja periaatteita voidaan soveltaa myös kvanttimaailmassa. Tutkimusta johti akatemiaprofessori Mikko Möttönen, ja se julkaistiin Nature Communications -tiedelehdessä.
Lämpökone kvanttimittakaavassa
Jokainen lämpökone, autonmoottorista voimalaitoksiin, perustuu samaan ajatukseen: lämmöstä otetaan energiaa ja osa siitä muunnetaan hyödylliseksi työksi. Aalto-yliopiston tutkijat toteuttivat saman periaatteen aivan toisenlaisessa mittakaavassa, yksittäisen kvanttijärjestelmän tasolla.
Laitteen ytimessä on niin sanottu transmon-kubitti, kvanttitietokoneiden peruspalikka. Kubittiin on kytketty kvanttipiirijäähdytin, joka pystyy sekä lämmittämään että jäähdyttämään sitä hallitusti. Tarkasti ajoitetuilla ohjaussignaaleilla tutkijat saivat järjestelmän kiertämään niin kutsuttua Otto-sykliä, samaa termodynaamista kiertoa, jota polttomoottoritkin hyödyntävät.
Toimii lähellä absoluuttista nollapistettä
Poikkeuksellista on olosuhde, jossa laite toimii. Suprajohtavat kvanttipiirit tarvitsevat toimiakseen äärimmäisen kylmän ympäristön, lähellä absoluuttista nollapistettä eli noin 273 pakkasastetta. Juuri tällaisissa olosuhteissa tutkijat onnistuivat tuottamaan mitattavaa työtä lämmön avulla.
Tavallinen lämpökone tarvitsee erilliset kuuman ja kylmän lähteen. Tässä laitteessa riittää yksi säädettävä jäähdytin, joka voi toimia kumpaankin suuntaan. Tutkimuksessa hyödynnetään myös energiahäviöitä, joita kvanttipiireissä yleensä pyritään välttämään: hallitusti käytettynä niistä tuli osa itse prosessia.
Miksi tällä on merkitystä
Löydös ei ole vain teoreettinen kuriositeetti. Se voi auttaa ratkaisemaan yhtä kvanttitietokoneiden suurimmista käytännön ongelmista. Nykyiset laitteet vaativat lukuisia johtoja ja ohjaussignaaleja, jotka kulkevat äärimmäisen kylmästä ytimestä huoneenlämpöön ja takaisin. Mitä enemmän kubitteja, sitä monimutkaisemmaksi ja kalliimmaksi tämä kokonaisuus käy.
Tutkijoiden tavoitteena on kehittää laitteesta täysin itsenäinen, autonominen kvanttilämpökone. Sellainen voisi esimerkiksi lukea kubittien tilan suoraan kylmässä ympäristössä ilman, että signaalia tarvitsee kuljettaa huoneenlämpöön asti. Se yksinkertaistaisi ja halventaisi suurten, monikubittisten kvanttitietokoneiden rakentamista.
Suomi kvanttitutkimuksen kärjessä
Työ vahvistaa Suomen asemaa kvanttiteknologian eturintamassa. Tutkimusta rahoittivat Suomen Akatemia eli Research Council of Finland sekä Suomen Kulttuurirahasto.
Käytännön sovelluksiin on vielä matkaa. Seuraavaksi tutkijoiden on osoitettava, että tällaisia lämpökoneita voidaan rakentaa useita ja liittää osaksi todellisia kvanttijärjestelmiä. Ensimmäinen ratkaiseva askel on kuitenkin otettu, ja se otettiin Suomessa.
