Innovaatio pienentää kvanttitietokonetta

VTT:n tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen sähkövirtaan perustuvan jäähdytysteknologian kvanttitietokoneelle. Innovaatio voi mahdollistaa harppauksen kvanttitietokoneiden kehittämisessä. Kvanttitietokoneen kokoa voidaan innovaation avulla pienentää nykyisestään.

Kvanttitietokoneet ovat miljoonia kertoja tehokkaampia tietokoneita kuin nykyisin käytössä olevat koneet ja päihittävät tehokkuudessaan myös supertietokoneet.

VTT tiedotti innovaatiostaan 14.4.

Nyt kvanttitietokoneiden prototyypit vaativat toimiakseen erittäin matalia lämpötiloja, jotka voidaan saavuttaa vain monimutkaisilla ja suurikokoisilla jäähdytysjärjestelmillä. Uusi sähköinen menetelmä voi korvata nämä heliumin isotooppien seosten pumppaukseen perustuvat ratkaisut ja siten mahdollistaa kvanttitietokoneiden koon merkittävän pienenemisen.   

Julkaistu tiedelehdessä

VTT:n tutkimusryhmä on ensimmäisenä maailmassa kehittänyt puhtaasti sähköisen jäähdytysmenetelmän, jossa jäähdytys ja lämpöeristys toimivat samassa pistemäisessä liitoksessa. Ryhmän  kokeessa jäähdytettävä kappale ripustettiin useista tällaisista liitoksista ja jäähdytys saatiin aikaan syöttämällä sähkövirtaa liitoksesta toiseen kappaleen läpi. Sähkövirralla laskettiin kappaleen termodynaamista lämpötilaa jopa 40 % ympäristön lämpötilasta. Tutkimustyö on julkaistu Science Advances -tiedejulkaisussa 10. 4.

“Uskomme, että puhtaasti sähköistä jäähdytysmenetelmää voidaan hyödyntää lukuisissa sovelluksissa kuten kvanttitietokoneiden miniatyrisoinnissa ja turvallisuussovelluksissa käytettävissä äärimmäisen herkissä säteilyn ilmaisimissa,” sanoo tiedotteessa VTT:n tutkimusprofessori Mika Prunnila.  

Monet elektroniikan ja fotoniikan komponentit toimivat ainoastaan erittäin matalissa lämpötiloissa. Yksi esimerkki on suprajohtavista piireistä rakennettu kvanttitietokone, joka tulee jäähdyttää lähelle termodynaamista absoluuttista nollapistettä (-273.15 oC). 

Nykyään jäähdytykseen käytetään niin kutsuttua laimennusjäähdytintä, joka on moniasteinen kryogeenisten nesteiden pumppaamiseen perustuva laite. Jäähdyttimen tekee erityisen monimutkaiseksi sen kylmin aste, jossa pumpataan heliumin isotooppien seosta. Vaikka laimennusjäähdyttimet ovat jo kaupallista teknologiaa, ne ovat yhä kalliita ja suurikokoisia tieteellisiä laitteita. VTT:n tutkijoiden kehittämä teknologia voisi korvata tuon monimutkaisen kylmimmän osan ja näin ollen tehdä jäähdytysjärjestelmästä yksinkertaisemman ja pienentää sen kokoa ja hintaa merkittävästi.

Bluefors on kiinnostunut

”Uutta menetelmää voidaan käyttää kvanttipiirien aktiiviseen jäähdytykseen suoraan piisirulla tai suuren mittakaavan jäähdyttimissä. Bluefors seuraa suurella mielenkiinnolla uuden sähköisen jäähdyttimen kehitystyötä,” sanoo Bluefors Oy:n CSO David Gunnarsson. Bluefors on maailman johtava kvanttiteknologian jäähdytinratkaisujen tuottaja. 

EU-projektina toteutettavassa EFINED-hankkeessa VTT:n tutkijat etsivät tehokasta ja käytännöllistä menetelmää siirtää lämpöä sähkövirran kuljettamien vapaiden elektronien avulla. Tehokkain ratkaisu saadaan käyttämällä liitosta, jossa kuumat elektronit kiipeävät lähes atomien kokoluokassa vaikuttavan, potentiaalivallin yli. Haasteena on, että lämpöä eivät kuljeta vain elektronit, vaan myös hilavärähtelyn kvantit eli fononit. Fononit tasaavat lämpötilaerot erityisesti silloin, kun ne vaeltavat vain lyhyen matkan. Menetelmä, joka tuottaisi tehokkaimman jäähdytyksen sähköisesti elektronien kautta, johtaisi suurimpaan lämpövuotoon fononien kautta ja siten nollatulokseen. 

VTT:n tutkijat esittivät, että tähän ongelmaan olisi ratkaisu, että jotkut eri materiaalien liitokset voisivat itseasiassa estää fononien virtaamisen puolelta toiselle siten, että samalla kuumat elektronit pääsisivät läpi kohtuullisen vaivattomasti. 

Tutkijat todensivat ilmiön jäähdyttämällä piisirun suprajohde-puolijohde -liitoksilla. Tällaisessa liitoksessa suprajohteen kielletyt energiatilat muodostavat elektroneille jäähdytykseen vaaditun esteen, jotta lämpöä voidaan siirtää pois puolijohteesta, tässä tapauksessa piistä. Samanaikaisesti liitos sirottaa fononeja, eli haittaa niiden liikettä liitoksen läpi niin tehokkaasti, että sähkövirralla saadaan aikaan merkittävä lämpötilaero liitoksen yli.