Kvanttituloksemme kipusivat maailman huipulle

Blogit
Mikko Möttönen
Research Professor Mikko Möttönen

Kauan siitä on unelmoitu. Vihdoinkin saimme oman työmme julkaistua maailman arvotetuimmassa tiedelehdessä. Ja vieläpä kvanttiteknologiasta, aiheesta, jossa VTT ja Suomi tähtäävät maailman huipulle. Tämä VTT:n ja Aalto-yliopiston yhteistyönä syntynyt läpimurto voi jouduttaa käytännön ongelmien ratkaisemiseen pystyvää kvanttitietokonetta.

Fotonit vapiskoon

Artikkelissa demonstroimme maailman tarkimman lämpenemisilmiöön perustuvan säteilymittarin eli bolometrin. Mittausten perusteella arvioitu tarkkuus on niin hyvä, että bolometrin pitäisi pystyä havaitsemaan yksittäisiä mikroaaltofotoneja.

Erikoista bolometrissamme on sen ällistyttävä nopeus. Bolometri on noin sata kertaa edeltäjäänsä nopeampi.

Äärimmäinen tarkkuus yhdistettynä nopeaan toimintaan nostavat laitteen kiinnostavaksi kvanttiteknologian kehityksessä. Tulevaisuudessa sillä voi mahdollisesti lukea suprajohtavan kvanttitietokoneen muistia tai kvanttitutkan signaaleja. Tutkittavaa riittää.

Pitkän työn tulos

Tie läpimurtoon ja pääsy Naturen sivuille alkoi kymmenen vuotta sitten lähettämällä aiheesta patenttihakemus. Rahoituksen hankkiminen ja työkalujen teroittaminen vaativat aikaa. Kvanttilaskennan ja -laitteiden ryhmääni piti houkutella oikeat osaajat, joita palkkasin Sveitsiä ja Yhdysvaltoja myöten.

Jo joitakin vuosia sitten demonstroimme Aalto-yliopiston laboratoriossamme maailman tarkimman ja vähäkohinaisimman bolometrin. Tulos ei kuitenkaan riittänyt kvanttiteknologian jouduttamiseen.

Otimme tärkeän askeleen hieman yli neljä vuotta sitten, kun metalli materiaalina vaihtui atominohueksi grafeeniksi, mikä mahdollisti yhä pienempien energioiden havaitsemisen.

Vastaan tuli kuitenkin myös ongelmia. Lupaavien testinäytteiden jälkeen vain yksi varsinaisista bolometreista toimi ja sekin vain puoliksi. Lämmitin ei toiminut. Lisäksi bolometrien valmistus yksittäisistä grafeenihiutaleista oli hyvin hidasta ja olimme menettämässä grafeeninikkarimme maailman huppuyliopistojen imuun.

Mietimme luovuttamista. Ehkä tämä oli liian haastavaa meille.

Sanoin kuitenkin, että yrittäkää vielä lämmittää bolometria sen lukemiseen tarkoitettua johtoa pitkin. Tällä tavalla bolometria lämmittävän tehon selvittäminen on vaikeampaa kuin sitä varten suunniteltua lämmitintä käyttämällä, mutta teoriassa mahdollista.

Se onnistui sittenkin. Grafeenibolometri osoittautui ennenkuulumattoman tarkaksi.

Se onnistui sittenkin. Grafeenibolometri osoittautui ennenkuulumattoman tarkaksi.
Taiteellinen näkemys VTT:n ja Aallon Nature-julkaisussa käyttämästä grafenibolometrista.
Taiteellinen näkemys VTT:n ja Aallon Nature-julkaisussa käyttämästä grafenibolometrista. Kuva: Heikka Valja.

Korona kolahti yllättävällä tavalla

Artikkelin kirjoittaminen oli loppusuoralla, kun koronakevät pöllähti Otaniemeen. Aallon laboratorio oli suljettava eikä koko rakennukseen saanut mennä kukaan tutkimusryhmästäni.

Kolme viikkoa myöhemmin lähetin artikkelin arvioitavaksi Natureen. Ajattelin, että pakko yrittää, vaikkei se varmaan sinne uppoa. Saa vähintäänkin elää toivossa toivottomuuden keskellä. Kuin lottoaja ennen arvontaa.

Ehkä korona oli lamauttanut muut tutkimusryhmät lähettämästä papereitaan lehtiin. Ehkä työmme oli vain todella hyvä. Nature otti sen arvioitavaksi ja hyväksyi ongelmitta. Tunne oli kuin jäistä pelastetulla lapsella, joka hörppii kuumaa kaakaota. Me teimme sen!

Työ ei tietenkään pääty tähän. Tavoitteenamme on bolometrien käyttö kvanttitekonologiassa kuten kvantti-informaation lukemisessa. Ja tämä on vain murto-osa kaikista keksinnöistä, joita tarvitsemme, jotta arjen kannalta hyödyllinen kvanttitietokone näkee päivänvalon.

Kvanttiteknologia tarvitsee vielä paljon uusia läpimurtoja ja pitkäjänteistä työtä, missä olemme hyviä. Kopioimalla muilta ei pärjää.

Kvanttiteknologian läpimurrot syntyvät osaamisesta

Globaali panostus kvanttiteknologiaan kiihtyy. Miljardisijoituksia ovat julistaneet ainakin Kiina, USA, EU ja Saksa.

Kun kuulin kesällä valtion lisäbudjetista VTT:lle kvanttitietokoneen hankintaa ja näin koko Suomen kvanttiekosysteemin käynnistämistä varten, olin liikuttunut. Päättäjät olivat ymmärtäneet alan tärkeyden ja tunnustaneet tämän kansallisen keihäänkärjen.

Mutta onko meillä mahdollisuuksia taistossa tuulimyllyjä vastaan? Kalpenevatko miljoonat miljardien rinnalla?

Mielestäni tuore julkaisumme on jälleen yksi osoitus siitä, että osaamisemme on erinomaista. Kvanttiteknologia tarvitsee vielä paljon uusia läpimurtoja ja pitkäjänteistä työtä, missä olemme hyviä. Kopioimalla muilta ei pärjää. Mutta jos emme osaa Suomessa pelata yhteen, häviämme. Mielestäni meidän tulee jakaa tietoa ja osaamista, eikä pantata niitä. Yhteinen etu on lopulta kaikkien etu.

Kvanttiteknologian suunta Suomessa on hyvä, mutta kurssin pitäminen vaatii jatkuvaa työtä ja lisää osaavaa työvoimaa. Vaikka puurtaminen tekee kipeää, ei luovuteta. Muuten voi mennä seuraava läpimurto roskiin, kuten oli käydä meidän bolometrin kohdalla.

 

Kiitos kuuluu kollegoille

  • Jukka Pekola opetti kylmäfysiikkaa ja teki kanssani ensimmäistä patenttihakemusta.
  • Joonas Govenius oli ensimmäinen väitöskirjan tekijäni bolometreissa ja aloitti kokeellisen työn. Nyt Joonas on kvanttiteknologian tiimin vetäjä VTT:llä.
  • Russell Lake oli ensimmäinen tutkijatohtorini bolmetreissa ja kehitti valmistus- ja mittausmenetelmiä. Nykyisin Russell on töissä Blueforsilla.
  • Roope Kokkoniemi teki väitöskirjansa bolometreista suorittaen tärkeimpiä mittauksia grafeenibolometrilla. Nykyisin Roope on töissä kvanttitietokoneyritys IMQ:ssä.
  • Jean-Philippe Girard suoritti mittauksia ja jatkaa bolometrien kehitystä ryhmässäni tutkijatohtorina.
  • Pertti Hakonen lähti ryhmineen kehittämään kanssani grafeenibolometria.
  • Antti Laitinen oli Pertin jatko-opiskelija, joka valmisti grafeeniosat bolometriin. Nykyisin Antti on tutkijatohtori Harvardissa.
  • Visa Vesterinen oli tutkijatohtori ryhmässäni ja kirjoitti erityisesti mittaus- ja analyysiohjelmia. Nykyisin VTT:n Visa on ryhmänjohtaja Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikössä (QTF).

Monet muut tämän työn ja yleisesti kvanttiteknologian kehityksen eri vaiheissa mukana olleet ansaitsevat myös suuren kiitoksen yhteistyötä.

 

Jaa