Kvanttitieteilijät onnistuivat mittaamaan mikroaaltosäteilyn tehon ennennäkemättömällä tarkkuudella
![Blueforsin kryogeenisen mittausjärjestelmän sisäosat. Kuva: Bluefors](/data/images/00175/e3fb4754-20cf-4cba-81ab-ded4589117f8-w_720.jpg)
Suurin osa kvanttitutkimuksesta tapahtuu äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa, jotka tutkijat saavuttavat kryostaateiksi kutsutuilla superpakastimilla. Myös kokeissa käytettävät energiamäärät ovat äärimmäisen pieniä: kyse voi olla jopa fotonia eli valohiukkasta pienemmästä määrästä energiaa. Kvanttitutkimuksessa tehotasot pitää pystyä mittaamaan äärimmäisellä tarkkuudella – ja samalla ottaa huomioon tutkijoiden suuri haaste, eli lämpöenergian vaikutus mittaustuloksiin.
Tehon mittaamiseen kvanttisovelluksissa käytetään bolometriksi nimettyä laitetta. Aalto-yliopiston ja VTT:n kvanttiteknologian professori Mikko Möttösen johtama tutkimusryhmä on jo aiemmin kehittänyt äärimmäisen tarkan bolometrin, mutta siihenkin liittyi enemmän epävarmuutta kuin tutkijat toivoivat. Vaikka tutkijat pystyivät havaitsemaan laitteella suhteellista tehotasoa, absoluuttista tehoa ei kuitenkaan kyetty tarkasti mittaamaan.
Nyt Aalto-yliopiston tutkijat yhteistyössä VTT:n sekä kvanttialan yritysten Blueforsin ja IQM:n kanssa ovat onnistuneet kehittämään nanolaitteen, jolla pystytään mittaamaan mikroaaltosäteilyn absoluuttista tehoa jopa femtowattiin asti äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa. Femtowatti on tasoltaan biljoonasosan tyypillisesti tarkkuusmittauksissa käytössä olevasta tehosta. Uusi laite voi siis mullistaa mikroaaltosäteilyn mittaamisen kvanttiteknologisissa sovelluksissa.
Tulokset julkaistiin torstaina Review of Scientific Instruments -lehdessä: https://doi.org/10.1063/5.0143761.
“Kiinnitimme bolometriin lämmittimen, johon voimme viedä tietyn määrän virtaa ja mitata sen aiheuttaman jännitteen. Koska tiedämme lämmittimeen menevän tehon määrän tarkasti, voimme kalibroida mikroaaltosäteilyn tehon sen perusteella. Tuloksena on itsekalibroituva bolometri, joka toimii äärimmäisen matalissa lämpötiloissa. Sen avulla voimme mitata absoluuttista tehoa kryogeenisissä lämpötiloissa”, Möttönen sanoo.
Blueforsin kvanttisovellusten johtaja Russell Laken mukaan uusi bolometri on merkittävä askel eteenpäin mikroaaltojen tehon mittaamisessa.
“Kaupalliset mittarit toimivat tyypillisesti yhden milliwatin mittakaavassa. Tämä bolometri sen sijaan mittaa tarkasti ja luotettavasti jopa yhden femtowatin tasolla tai jopa alle. Se on biljoonasosa tavanomaisissa mittaustekniikoissa käytetystä tehosta”, Lake toteaa.
“Tarkkoja tuloksia varten kubittien hallintaan tarkoitettujen kaapeleiden täytyy olla äärimmäisen kylmiä eli kokonaan ilman lämpöfotoneita tai ylimääräistä säteilyä. Tällä bolometrillä voimme nyt mitata kaapelien säteilyn tehon ilman, että esimerkiksi kubittipiirit häiritsevät tuloksia”, Möttönen jatkaa.
“Sensori on laajakaistainen, joka tarkoittaa, että voimme mitata tehotasoa hyvin eri taajuuksilla. Tämä ei ole itsestäänselvyys kvanttiteknologiassa, sillä usein sensorit toimivat vain erittäin kapealla spektrillä”, sanoo Jean-Philippe Girard, Blueforsin tutkija, joka aiemmin työskenteli laitteen parissa Aallossa.
Hyötyä sekä yliopistojen että yritysmaailman kvanttiammattilaisille
Tutkijoiden mukaan uusi bolometri on huima harppaus eteenpäin kvanttiteknologialle.
“Mikroaaltojen mittaamista tehdään muun muassa langattomassa viestinnässä ja tutkateknologioissa. Näillä aloilla on omat keinonsa tehdä erittäin tarkkoja mittauksia, mutta aiemmin ei ollut mitään vastaavaa keinoa kvanttiteknologian alalla. Bolometri on kehittynyt diagnostinen väline, joka on tähän asti puuttunut kvanttiteknologian työkalulaatikosta,” Lake sanoo.
Kehitystyö on Aallon ja Blueforsin yhteistyön tulosta. Laite kehitettiin Aallon Kvanttilaskennan ja -laitteiden ryhmässä, joka kuuluu Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikkö QTF:ään. Tutkijat käyttivät Micronovan puhdashuoneita, jotka kuuluvat kansalliseen OtaNano-tutkimusinfrastruktuuriin. Ensimmäisten Aallolla tehtyjen kokeiden jälkeen Bluefors on myös testannut laitetta onnistuneesti.
“Se osoittaa, että laite ei ole vain satunnainen onnistuminen yliopiston labrassa, vaan jotain mistä sekä akateemiset että yritysmaailman kvanttiammattilaiset voivat hyötyä”, Möttönen sanoo.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Mikko Möttönen
Professori, Aalto-yliopisto ja VTT
+358 50 594 0950
mikko.mottonen@aalto.fi
https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/quantum-computing-and-devices-qcd
Russell Lake
Kvanttisovellusten johtaja, Bluefors
+358 45 188 7971
russell.lake@bluefors.com
Kuvat
Linkit
Tietoja julkaisijasta
Aalto-yliopistossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Rakennamme kestävää tulevaisuutta saavuttamalla läpimurtoja avainalueillamme ja niiden yhtymäkohdissa. Samalla innostamme tulevaisuuden muutoksentekijöitä ja luomme ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin. Yliopistoyhteisöömme kuuluu noin 13 000 opiskelijaa ja yli 4 500 työntekijää, joista 400 on professoreita. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto
Opiskelijaprojekti synnytti innovaation: Kengän sisäpohjat syntyvät muovin sijaan kompostoituvasta puuvaahdosta18.6.2024 14:00:00 EEST | Tiedote
Aalto-yliopiston opiskelijat kehittivät kestävän sisäpohjan prototyypin, joka taipuu, kestää kosteutta ja tuntuu pehmeältä ihoa vasten. Suomalainen kenkäyritys VIBAe lähtee syksyllä testaamaan materiaalia käyttäjillä.
Helsingin uusilla asuinalueilla on vähemmän kasvillisuutta kuin vanhoilla, ja se vaikuttaa hiilensidontaan sekä tulevien kesien lämpötiloihin18.6.2024 07:45:00 EEST | Tiedote
EU:n ennallistamisasetus kiinnittää huomiota kaupunkiekosysteemien viherpeitteen hyötyihin. Viherpeitteen pienenemisellä taas on merkittäviä ympäristövaikutuksia, sillä se johtaa uusilla asuinalueilla vähäisempään hiilensidontaan ja korkeampiin kesälämpötiloihin.
Lepääkö valtionhallinto kellarista löytyvien palvelimien vai Amazonin päällä? Vili Lehdonvirta tarkastelee kehitystä ajan ja pilvien yli14.6.2024 10:28:48 EEST | Tiedote
Professori Vili Lehdonvirran EU-hankkeessa piirretään hyperskaalan datakeskuksia maailmanlaajuiselle kartalle.
Uudenlainen menetelmä soluviljelyyn antaa tietoa syövän biomekaniikasta12.6.2024 12:15:00 EEST | Tiedote
Tutkijoiden kehittämän uuden teknologian avulla voidaan paitsi havainnoida solutason mekaniikkaa soluviljelmissä, myös mallintaa syövän leviämisestä kertovaa syöpäsolujen liikettä kasvaimesta ympäröivään kudokseen.
Tutkimus: Terveydenhuollon laitehankinnoissa katsotaan enemmän hintalappua kuin pitkän aikavälin tuloksia12.6.2024 09:19:24 EEST | Tiedote
Säästöistä palkitseva bonus sai hankinta-ammattilaiset valitsemaan edullisemman laitevaihtoehdon kalliimman, hoidon kannalta lupaavamman sijaan. Lyhyen aikavälin säästö voi tulla ajan myötä kalliiksi. Siksi kannustimien pitäisi palkita myös hankintojen vaikuttavuudesta, kuten paremmista hoitotuloksista ja nopeammasta paluusta työelämään, sanovat tutkijat.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme