Aalto-yliopiston tutkijat ovat tehneet fysiikan läpimurron, joka voi edistää supertehokkaiden kvanttitietokoneiden kehitystä. Mikko Möttösen johtama tutkijaryhmä on onnistunut siirtämään lämpöä maksimaalisen tehokkaasti kymmenentuhatta kertaa pidemmälle kuin koskaan aikaisemmin.

Lämmön johtuminen on yksi fysiikan perusilmiöistä. Tutkimusalan suuret löydökset muuttavat siis arkeamme väistämättä. Möttösen ryhmän saavutus mullistaa niin sanotun kvanttirajoittuneen lämmönjohtumisen eli lämmön siirtymisen mahdollisimman tehokkaasti paikasta A paikkaan B.

Etenkin kvanttitietokoneiden kehittäjille uutinen on riemastuttava, sillä kvanttitietokoneen tehokas toiminta edellyttää, että sitä voidaan viilentää tehokkaasti. Samaan aikaan kone on hyvin herkkä ulkoisille häiriöille.

Möttösen ryhmän innovaatio auttaa viilentämään kvanttitietokonetta tehokkaasti, mutta niin ovelasti, että se ei häiritse koneen muuta toimintaa. ’’Tutkimuksemme alkoi jo vuonna 2011 ja eteni pikkuhiljaa. Tuntuu todella hienolta vihdoin saavuttaa tieteellinen läpimurto, jolla on oikeita käytännön sovellutuksia’’, Mikko Möntönen iloitsee.

Kehitetty laite koostuu suprajohtavasta kiemurtelevasta siirtolinjasta piisirun päällä. Möttösen tutkimusryhmä sai kokeissaan lämmön siirtymään kvanttirajoitteisesti metrin verran. Vaikka metri ei ensi alkuun kuulosta pitkältä matkalta, mutta aikaisemmin tällainen lämmön siirtyminen on saatu mitattua ainoastaan hiuksen paksuutta vastaavalta matkalta.

’’Kun puhutaan tietokoneen prosessorista, metri on valtavan pitkä matka. Ei kukaan haluaa rakentaa suurempaa prosessoria, Möttönen korostaa.

Ensimmäinen tärkeä oivallus tutkimuksen onnistumiseksi oli käyttää lämmön kuljettamiseen fotoneita. Fotonit ovat hiukkasia, joista esimerkiksi kaikki näkyvä valo koostuu. Aiemmin kokeita on tehty esimerkiksi elektronien avulla.

Fotonien kuljettamiseen keksittiin käyttää sähkövastuksetonta linjaa. Tämä suprajohtava linja rakennettiin neliösenttimetrin kokoisen piisirun päälle. Linjan päihin asetettiin vastukset, joiden lämpötilavaihtelua mittaamalla tutkimustulokset saatiin aikaiseksi.

Suomalaistutkijat pystyivät kokeissaan osoittamaan, että kvanttirajoittunut lämmönjohtuminen on mahdollista pitkien matkojen päähän. Tämä mahdollistaa ilmiön hyödyntämisen laboratorioiden ulkopuolella. Tutkimusryhmän rakentama laite mullistaa siis perustavanlaatuisesti sen, miten lämmönjohtumista voidaan hyödyntää käytännössä.

Tutkimusryhmään kuuluvat Mikko Möttösen lisäksi Matti Partanen, Kuan Yen Tan, Joonas Govenius, Russell E. Lake, Miika K. Mäkelä ja Tuomo Tanttu. Heidän artikkelinsa on julkaistu Nature Physcis-lehdessä ’’Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances’’ (LINKKI).

Kuva: Taiteellinen näkemys mikroaaltofotoneilla tuotetusta lämmönsiirrosta, joka on kvanttirajoitteinen pitkillä välimatkoilla. Kuva: Heikka Valja.