Suomalaiset tutkijat ovat onnistuneet siinä, mitä fyysikot ympäri maailmaa ovat tavoitelleet vuosia. Aalto-yliopistossa rakennettu maailman ensimmäinen suprajohtava kvanttilämpökone osoittaa, että lämpöenergia voidaan valjastaa hyödylliseksi työksi myös kvanttimaailmassa. Keksintö voi pitkällä aikavälillä tehdä kvanttitietokoneista huomattavasti nykyistä halvempia ja tehokkaampia.
Kun puhutaan lämpökoneista, mieleen tulevat yleensä höyryveturit, polttomoottorit tai voimalaitokset. Kaikkia niitä yhdistää sama periaate: ne muuttavat lämpöenergiaa työksi.
Samaa ilmiötä kuvaa termodynamiikka, yksi fysiikan tärkeimmistä teorioista. Sen peruslakeihin kuuluvat muun muassa energian säilyminen ja se, että lämpö siirtyy luonnostaan kuumemmasta kappaleesta kylmempään.
Mutta mitä tapahtuu, kun siirrytään maailmaan, jossa yksittäiset atomit, elektronit ja kvantti-ilmiöt hallitsevat kaikkea?
Siihen kysymykseen Aalto-yliopiston tutkijat ovat nyt löytäneet vastauksen.
Kvanttimekaniikka kuvaa luonnon toimintaa kaikkein pienimmissä mittakaavoissa. Siellä hiukkaset voivat olla useassa tilassa yhtä aikaa, ja niiden käyttäytyminen poikkeaa täysin arkielämän kokemuksista.
Fyysikot ovat jo pitkään pohtineet, pätevätkö tavallisten lämpökoneiden toimintaperiaatteet myös kvanttimaailmassa. Nyt vastaus näyttää olevan kyllä.
Aalto-yliopiston tutkimusryhmä onnistui rakentamaan maailman ensimmäisen syklisesti toimivan suprajohtavan kvanttilämpökoneen. Tulokset julkaistiin arvostetussa Nature Communications -tiedelehdessä.
Vaikka nimi kuulostaa monimutkaiselta, itse laite on yllättävän pieni – se on vain muutaman millimetrin kokoinen suprajohtava sähköpiiri, jonka keskeinen osa on niin sanottu transmon-kubitti. Kubitti on kvanttitietokoneen vastine tavallisen tietokoneen bitille, mutta sen toimintaperiaate on huomattavasti monimutkaisempi.
Tavallinen bitti voi olla joko nolla tai yksi, kun taas kubitti voi kvanttimekaniikan ansiosta olla molemmissa tiloissa samanaikaisesti. Tätä kutsutaan superpositioksi, ja juuri sen ansiosta kvanttitietokoneiden odotetaan pystyvän ratkaisemaan ongelmia, joihin nykyiset supertietokoneet eivät käytännössä kykene.
Kokeet tehtiin kryostaatissa eli erittäin tehokkaassa jäähdytyslaitteessa. Lämpötila oli vain muutamia millikelvinejä eli muutaman tuhannesosan verran absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.
Absoluuttinen nollapiste on –273,15 celsiusastetta, eikä sitä kylmempää lämpötilaa tunneta. Näin alhaisissa lämpötiloissa sähkövirta voi kulkea suprajohtimissa ilman sähkövastusta, mikä on välttämätöntä kvanttitietokoneiden toiminnalle.
Tutkimuksen keskeinen saavutus oli osoittaa, että kubitin läpi kulkeva lämpöenergia pystyy tekemään työtä. Tutkijat ohjasivat laitetta niin sanotulla Otto-syklillä, joka on sama termodynaaminen peruskierto, jota käytetään myös bensiinimoottoreiden teoriassa.
Perinteisessä lämpökoneessa energia siirtyy kuumasta säiliöstä kylmään, ja osa tästä energiasta muuttuu työksi. Tutkijat osoittivat, että sama periaate toimii myös kvanttijärjestelmässä.
”Tämä on ensimmäinen kerta, kun syklisen kvanttilämpökoneen toiminta pystyttiin osoittamaan suprajohtavassa piirissä”, tutkija Tuomas Uusnäkki kertoo tiedotteessa.
Yksi tutkimuksen merkittävimmistä innovaatioista oli kvanttijäähdytin. Tavallisessa lämpökoneessa tarvitaan kaksi erillistä lämpövarastoa: kuuma ja kylmä.
Aallon kehittämässä ratkaisussa sama kvanttijäähdytin pystyy toimimaan molemmissa rooleissa. Tutkijat voivat säätää sen joko lämmittämään tai jäähdyttämään kubittia tarkasti ajoitetuilla mikroaaltopulsseilla.
Ratkaisu yksinkertaistaa koko järjestelmää huomattavasti.
Kvanttitietokoneet ovat yksi tämän hetken kuumimmista tutkimusaloista – niiden odotetaan tulevaisuudessa ratkaisevan ongelmia, joihin nykyiset supertietokoneet eivät käytännössä pysty.
Esimerkiksi uusien lääkkeiden kehitys, materiaalitutkimus, logistiikan optimointi ja monimutkaisten kemiallisten reaktioiden simulointi voivat nopeutua merkittävästi.
Ongelmana on kuitenkin hinta – nykyiset suprajohtavat kvanttitietokoneet vaativat valtavan määrän ohjauskaapeleita, jotka kulkevat huoneenlämpöisestä elektroniikasta lähes absoluuttiseen nollapisteeseen.
Kaapelit eivät ole pelkästään kalliita, vaan ne myös tuovat järjestelmään ylimääräistä lämpöä ja sähköistä kohinaa, mikä heikentää kubittien toimintaa.
Akatemiaprofessori Mikko Möttösen mukaan Suomen tavoitteena on rakentaa vuoteen 2035 mennessä tuhannen loogisen kubitin kvanttitietokone. Se edellyttää arviolta satojatuhansia fyysisiä kubitteja.
Nykyisellä tekniikalla niiden ohjaaminen vaatisi miljoonia mikroaaltokaapeleita, joiden kappalehinta voi nousta tuhansiin euroihin. Jos kvanttilämpökoneiden avulla kubitteja voitaisiin lukea ja ohjata autonomisesti ilman jatkuvaa kaapelointia, säästöt voisivat olla valtavia.
Samalla järjestelmien rakentaminen helpottuisi ja niiden toimintavarmuus paranisi.
Tutkijat korostavat, ettei uusi lämpökone vielä sellaisenaan päädy kaupallisiin kvanttitietokoneisiin. Se on ennen kaikkea tärkeä tieteellinen todiste siitä, että kvanttilämpökone toimii käytännössä juuri niin kuin teoria ennusti.
Seuraava tavoite on rakentaa täysin autonominen kvanttilämpökone, joka toimisi ilman ulkopuolista ohjausta – jos siinä onnistutaan, tutkimus voi muodostaa yhden tulevaisuuden kvanttitietokoneiden keskeisistä rakennuspalikoista.
Suomalaisryhmän tutkimus toteutettiin OtaNanon kansallisessa nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuurissa. Hanketta rahoittivat Suomen Akatemia ja Suomen Kulttuurirahasto.
