Kvanttitietokoneilla voidaan kehittää entistä tarkemmin toimivia lääkkeitä, ympäristöystävällisempiä lannoitteita tai vaikka entistä fiksumpaa tekoälyä. Laitteilla pystytään tulevaisuudessa tekemään laskelmia, jotka nykytekniikalla ovat mahdottomia ratkaista tai veisivät järjettömän kauan aikaa.

Kun tavallisessa läppärissä rouskuttavat bitit ovat joko nollia tai ykkösiä, kvanttibitit eli niin sanotut kubitit voivat olla samanaikaisesti molempia.

Kubittien muuntautumiskyky tekee äärimmäisen monimutkaiset laskutoimitukset mahdollisiksi. Toisaalta laskenta on myös herkkää ulkoisille häiriöille, kuten laitteiden lämpenemiselle.

Yhdessä laskutoimituksessa saatetaan käyttää tuhansia tai jopa miljoonia loogisia kubitteja. Jotta laskutoimituksesta saadaan oikea tulos, jokainen niistä pitää kuitenkin nollata laskennan alussa.

Jos kubitit ovat liian kuumia, nollaus ei onnistu, koska ne hyppivät liikaa eri kvanttitilojen välillä. Juuri tähän aaltolaiset ovat keksineet ratkaisun, josta kerrotaan Nature Communications -tiedelehdessä.

Kvanttifyysikko Mikko Möttösen tutkijaryhmän kehittämän mikroskooppisen pienen jäähdyttimen avulla lähes kaikki sähköiset kvanttilaitteet voidaan alustaa nopeasti eli saada aina uudelleen toimintavalmiiksi.

”Olen työstänyt tätä laitetta viisi vuotta, ja vihdoinkin se toimii!” iloitsee Möttösen ryhmässä tutkijatohtorina työskentelevä Kuan Yen Tan.

Tan jäähdytti kubitin kaltaista värähtelevää sähköpiiriä. Hän hyödynsi yksittäisten elektronien siirtymistä kahden nanometrin paksuisen eristekerroksen läpi. Nanometri on millimetrin miljoonasosa.

Hän antoi elektronille hieman liian vähän energiaa, jolloin elektroni kaappasi siirtymiseen eli tunneloitumiseen tarvittavan energian läheiseltä kvanttilaitteelta. Energian siirtyminen sai kyseisen laitteen viilenemään.

Jäähdytyksen voi kytkeä pois päältä siten, että ulkoinen jännite säädetään nollaan. Silloin edes kvanttilaitteen luovutettavissa oleva energia ei riitä puskemaan elektronia eristeen läpi.

”Meidän laitteella saadaan kvantit kuriin”, Möttönen kertoo.

Laitteet on rakennettu ja niitä on alustavasti testattu. Seuraavaksi tutkijat siirtyvät tositoimiin: heidän tavoitteensa on alentaa jäähdyttimellä saavutettavaa minimilämpötilaa ja rakentaa sen pohjalta huippunopea kytkinlaite ihan oikeille kubiteille.

”Maailmanlaajuinen kilpajuoksu kohti toimivaa kvanttitietokonetta kiihtyy. Uskomme, että jäähdytysongelman ratkaiseminen osaltaan vauhdittaa kehitystä”, Möttönen sanoo.