Fyysikot hallitsevat kvanttilaitteiden pimeää puolta
Nämä lomittuneet tilat ovat 300 kertaa pitkäikäisempiä kuin yksittäisten kvanttilaitteiden tilat, ja niitä voidaan hyödyntää esimerkiksi kvanttisimulaatioissa ja -laskennassa.
Professori Gerhard Kirchmairin laboratoriossa Innsbruckin yliopistossa suprajohtavia kvanttilaitteita tutkitaan kokeellisesti aaltoputkissa. Tällöin laitteet vuorovaikuttavat voimakkaasti keskenään ja voi muodostua niin sanottuja pimeitä ja kirkkaita tiloja. Kirkkaat tilat hajoavat nopeasti. Pimeät tilat sen sijaan ovat pitkäikäisiä. "Pimeät tilat ovat useiden kvanttilaitteiden yhdessä muodostamia lomittuneita kvanttitiloja, jotka ovat lähes täysin eristettyjä ulkomaailmasta", kertoo väitöskirjatutkija Max Zanner, artikkelin pääkirjoittaja. "Ne ovat tavallaan näkymättömiä, jonka takia niitä kutsutaan pimeiksi tiloiksi."
Pimeiden tilojen hallinta on erittäin tärkeää kvanttitietokoneiden ja kvanttiteknologioiden toteuttamisessa. Kvanttitietokonetta kehitetään parhaillaan ympäri maailmaa useissa tutkimuslaitoksissa ja suuryrityksissä, sillä yhtenä yhteiskuntien suurena haasteena pidetään käytännön ongelmia ratkovan kvanttitietokoneen rakentamista. Onnistuessaan sen uskotaan pystyvän ratkaisemaan esimerkiksi molekyylien ja materiaalien mallintamiseen liittyviä laskentatehtäviä, jotka ovat nykyisten tietokoneiden ulottumattomissa. Jopa pienten, alle 20 atomista koostuvien, molekyylien täydellinen tarkka kvanttimekaaninen mallintaminen on nykyisillä tietokoneilla mahdotonta.
Kvanttiteknologiassa tarvitaan prosessoreiden lisäksi muisteja ja viestiväyliä, samoin kuin tavallisissa tietokoneissakin. Aaltoputkia voidaan käyttää lyhyen ja keskimatkan kvanttimekaanisina viestiväylinä esimerkiksi kahden prosessorin välillä. Nyt julkaistussa tutkimuksessa pimeitä tiloja on ensimmäistä kertaa onnistuttu kontrolloimaan hallitusti, mikä on tärkeä kehitysaskel tällaisten kvanttiviestiväylien rakentamisessa.
Suprajohtavat kvanttilaitteet ovat monitila-systeemejä, joiden kahta alinta energiatilaa käytetään yleensä kvanttibittinä eli kubittina. Usein laskuissa ja malleissa korkeammat tilat jätetäänkin kokonaan huomiotta. “Teoreettiselta kannalta on mielenkiintoista, että kokeessa suprajohtavat laitteet eivät käyttäytyneetkään kubittien tavoin, vaan myös korkeammat energiatilat oli otettava huomioon”, sanoo tutkimuksen teoreettisen mallintamisen tehnyt väitöskirjatutkija Tuure Orell, artikkelin toinen pääkirjoittaja. “Näyttää siltä, että kun kasvatetaan laitteiden lukumäärä ja vuorovaikutusten voimakkuutta, kaksitilamallin tarkkuus oleellisesti heikkenee. Tämä on syytä ottaa huomioon tulevaisuudessa, kun tutkittavien järjestelmien koko kasvaa useisiin kymmeniin tai satoihin kubitteihin.”
Oleellista nyt julkaistussa tutkimuksessa on myös hedelmällinen kansainvälinen yhteistyö. Oululaisten kehittämä teoreettinen malli ja numeeriset simulaatiot auttoivat ymmärtämään Innsbruckissa tehtyjä mittauksia, ja toisaalta mittaukset antoivat mahdollisuuden testata ja kehittää teoriaa edelleen. “Hanke on malliesimerkki tieteellisestä ryhmätyöskentelystä. Jokainen pelasi saumattomasti joukkueen eteen, ja tulos oli voittava!”, iloitsee akatemiatutkija Matti Silveri Oulun yliopiston nano- ja molekyylisysteemin tutkimusyksiköstä.
Arvostettu Nature Physics julkaisi tutkimustulokset verkkojulkaisussaan 14.3.2022:
- Coherent control of a multi-qubit dark state in waveguide quantum electrodynamics. Maximilian Zanner, Tuure Orell, Christian M. F. Schneider, Romain Albert, Stefan Oleschko, Mathieu L. Juan, Matti Silveri, and Gerhard Kirchmair. Nature Physics 2022: https://doi.org/10.1038/s41567-022-01527-w
- Lue lisää Nature Physicsin News&Views -uutisessa: Darkness tamed with superconducting qubits