Pimeän tilan tutkimusjärjestely

Fyysikot kesyttivät pimeän tilan kvanttitietokoneiden teknologiaksi

Aalto-yliopiston kvanttifyysikot onnistuivat kesyttämään niin kutsutun pimeän tilan, jonka he loivat suprajohtavaan sähköpiiriin.

”Suprajohtavat piirit ovat tällä hetkellä varteenotettavin teknologia kvanttitietokoneen rakentamiseen. Yksi teknologian eduista on, että prosessorin valmistamiseen voidaan käyttää samoja menetelmiä kuin nykyisten klassisten tietokoneiden prosessorien valmistamiseen”, sanoo tutkimusryhmän johtaja Sorin Paraoanu Aalto-yliopistosta.

Tutkijat ympäri maailmaa yrittävät ratkaista ongelmaa, joka liittyy kvanttitilan äärimmäisen tarkkaan hallintaan. Suprajohtavassa piirissä on lukuisia energiatiloja ja tässä tutkimuksessa tarkasteltiin erityisesti kolmea alinta tilaa. Niiden ominaisuuksia voidaan hyödyntää kvanttikolmitasologiikan rakennuspalasina esimerkiksi kvanttitietokoneessa. 

Käyttämällä huolellisesti suunniteltujen mikroaaltopulssien muodostamaa sarjaa tutkijaryhmä onnistui hyödyntämään sähköpiiriin synnyttämäänsä pimeää tilaa. Näin saatiin luotua superpositio, jossa piiri on samanaikaisesti perustilassaan ja toisessa viritystilassaan.

Suprajohtava piiri on keinotekoinen atomi, joka on piikiekolle valmistettu kondensaattoreista ja tunneliliitoksista koostuva sähköpiiri. Suoritetussa kokeessa piiriä käytettiin tilassa, jossa se ei vastaanota tai säteile lainkaan tietyn taajuisia mikroaaltoja. Sähköpiiri ikään kuin piilottelee näkymättömyysviitan alla, ja siksi sitä kutsutaan pimeäksi tilaksi.

"Kokeellisten tulosten sekä sähköpiiriä kuvaavan teoreettisen mallin vastaavuus on hämmästyttävän hyvä. Se kertoo meille, että ymmärrämme tarkasti kuinka piiri käyttäytyy ja voimme hallita sitä. Koe osoittaa, että kolmitasopiirejä voidaan käyttää kvanttiprosessoreissa tavanomaisten kaksitasoisten kvanttimekaanisten bittien sijaan", kertoo tohtorikoulutettava Antti Vepsäläinen.

Prosessissa siirtynyt energiamäärä vastaa suunnilleen yhden mikroaaltofotonin energiaa, jollaisia löytyy muun muassa mikroaaltouuneista tai jotka välittävät tietoa matkapuhelinverkoissa. 

Piirin lopullinen tila mitattiin käyttämällä kvantti-tomografiaa. Tekniikan avulla systeemin aaltofunktio voidaan rakentaa uudelleen mittaamalla sitä useissa eri superpositiotiloissa, jotka luodaan mikroaaltopulsseilla.

Kokeessa havaittiin myös eräs kiehtova yksityiskohta, kun tutkijat virittivät keinotekoisen atomin perustilasta toiseen energiatilaan ja käyttivät mikroaaltopulsseja epäintuitiivisessa järjestyksessä. Tällöin ensimmäinen pulssi kytkee ensimmäisen energiatilan toiseen energiatilaan ja vasta tämän jälkeen lähetetään pulssi, joka kytkee perustilan ensimmäiseen energiatilaan.

"Oletetaan, että haluat matkustaa Helsingistä New Yorkiin, mutta sinun on vaihdettava konetta Lontoossa", selittää Sorin Paraoanu. 

"Ensin lennät Helsingistä Lontooseen, odotat jonkin aikaa lentokentällä, minkä jälkeen nouset New Yorkin koneeseen. Kvanttimaailmassa pääsisit nopeammin perille, jos nousisit Helsingistä Lontooseen menevään koneeseen vasta jonkin aikaa New Yorkin koneen lähdettyä. Et vietä lainkaan aikaa Lontoossa ja saavut New Yorkiin juuri kun kone Helsingistä laskeutuu Lontooseen. Tämä kuulostaa tyrmistyttävältä, mutta koe osoittaa, että kvanttimaailmassa asiat toimivat juuri näin."

Paitsi että kokeesta on hyötyä kvanttilaskennassa, tuloksella on merkittäviä käsitteellisiä seurauksia. Ymmärryksemme todellisuudesta pohjautuu enimmäkseen jatkuvuuden periaatteeseen: vuorovaikutukset välittyvät paikasta toiseen kulkemalla ensin kaiken välissä olevan läpi. 

Todelliset kappaleet eivät ilmesty minnekään tyhjästä. Tästä huolimatta kokeessa käytetty menetelmä vaikuttaa uhmaavan tätä periaatetta. Kuten taikurien näytöksessä, kvanttifysiikka sallii esineiden ilmestyvän sinne ja tänne kuin tyhjästä.

Tutkimuksesta kerrottiin Aalto-yliopiston tiedotteessa, johon uutisen teksti perustuu, ja se on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä

Kuva: Antti Paraoanu