Taiteellinen näkemys grafeenibolometrista, jota ohjataan sähkökentällä.
Teknologia 06.10. 12:12

Taiteellinen näkemys grafeenibolometrista, jota ohjataan sähkökentällä.

Huippunopea säteilyilmaisin kehitetty Suomessa

Aallon ja VTT:n tutkijoiden innovaatio vauhdittaa kvanttitietokoneiden kehittämistä.

06.10.2020
Teksti Esko Lukkari kuvat Heikka Valja

Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat kehittäneet nanokokoisen säteilyilmaisimen fotonien energian mittaukseen. Se voi määrittää kvanttitietokoneen kubittien energiatilan huomattavasti aiempaa nopeammin. Tutkimus on julkaistu arvostetussa Nature-lehdessä.

Huippunopea säteilyilmaisin on tehty kultapalladiumin sijaan grafeenipalasta, joka on niin pieni, että se mahtuisi bakteerin sisään.

Nanokokoista säteilyilmaisinta kutsutaan bolometriksi, ja sen toiminta perustuu mitattavan säteilyn lämmittävään vaikutukseen. Säteilyilmaisimia voidaan käyttää sovellutuksiin esimerkiksi kvanttitietokoneisissa, joita käytetään esimerkiksi logistiikan suunnittelussa.

Professori Mikko Möttösen tutkimusryhmä Aalto-yliopistossa on tutkinut herkkiä bolometrejä jo vuosikymmenen ajan.

Aalto yliopisto tiedotti asiasta 30.9.

Grafeeni oli ratkaisu

”Olemme onnistuneet parantamaan säteilyilmaisimen ominaisuuksia. Nyt bolometrimme nopeus ja tarkkuus vaikuttavat olevan riittäviä kubittien sisältämän kvanttitiedon lukemiseen”, sanoo Möttönen tiedotteessa.

Tutkimusryhmä rakensi jo aiemmin kultapalladiumista bolometrin, joka oli erittäin vahäkohinainen. Se oli silti liian hidas kvanttitietokoneiden kubittien mittaamiseen. Uusi läpimurto saavutettiin korvaamalla kultapalladium grafeenilla. Tutkijat tekivät yhteistyötä professori Pertti Hakosen tutkimusryhmän kanssa, jolla on kokemusta grafeenipohjaisten laitteiden valmistuksesta.

”Kun valmistimme ilmaisimen grafeenista, siitä tuli sata kertaa nopeampi, vaikka kohinan taso pysyi samana. Näiden alustavien tulosten jälkeen voimme vielä tehdä paljon optimointia säteilyilmaisimen parantamiseksi”, sanoo Hakonen.

Vähemmän kohinaa

Kubittien energian mittaaminen on olennainen osa kvanttitietokoneiden toimintaa. Kvanttitietokoneet määrittävät kubitin energiatilan mittaamalla siitä lähtevää jännitettä, johon liittyy kuitenkin haasteita. Siihen vaaditaan suuria vahvistinpiirejä, jotka rajoittavat ratkaisun hyödyntämistä suuremmassa mittakaavassa. Vahvistin kuluttaa paljon energiaa, ja jännitemittaukset sisältävät mittausvirheitä aiheuttavaa kvanttikohinaa.

Grafeenin lämmönvarauskyky on alhainen, ja siitä valmistettu terminen eli lämpöä mittaava säteilyilmaisin havaitsee hyvin pienet energianmuutokset alle mikrosekunnissa. Tutkijatohtori Antti Laitisen valmistama grafeenipala on lisäksi niin pieni, että se mahtuisi yksittäisen bakteerin sisään.

”Säteilyilmaisimen pieni koko on grafeenin kaksiulotteisuuden eli tasomaisen, vain yhden atomikerroksen paksuisen, rakenteen sekä viime vuosina kehitettyjen nanovalmistusmenetelmien ansiota”, nykyisin Harvardissa työskentelevä Laitinen sanoo.

IQM mukana mittauksissa

Mittauksia suoritti väitöskirjaansa viimeistelevä tohtorikoulutettava Roope Kokkoniemi, joka työskentelee kvanttitietokoneita rakentavassa IQM-yrityksessä.

”Säteilyilmaisimen suorituskykyä voidaan parantaa pelkästään paremmalla mittaustekniikalla”, sanoo Kokkoniemi.

Seuraavaksi tutkimusryhmä keskittyy parantamaan säteilyilmaisimen tarkkuutta. Tutkimusyhteistyö liittyy Suomen Akatemian rahoittamaan Kvanttiteknologian huippuyksikköön (QTF) ja BOLOSE-anturikehitysprojektiin (RADDESS-ohjelma, 2018-2021). 

Mikko Möttösen tutkimusryhmä on myös osa Euroopan unionin rahoittamaa Quantum Flagship -hanketta Quantum Microwave Communication and Sensing (QMiCS) -projektillaan.

Etusivulle >

Lisää teknologiauutisia >

JAA

LUETUIMMAT