Taajuusmodulaatio kiihdyttää kvanttiteknologioiden tutkimusta

30.05.2017

Kvanttilaitteissa taajuusmodulaatiota käytetään muun muassa laitteen eri osien vuorovaikutuksien hallinnassa.

Monet nykyiset tekniset edistysaskeleet ja laitteet perustuvat kvanttimekaniikan ymmärtämiseen. Kvanttilaitteet eroavat puolijohteista, massamuisteista ja lasereista siten, että niissä kvanttimekaanisia tiloja hallitaan ja hyödynnetään suoraan laitteen toiminnassa. Tutkimusalan suuri tavoite on kehittää kvanttitietokone, joka pystyy suoriutumaan tietyistä haastavista laskutoimituksista tavallista tietokonetta nopeammin.

Oulun yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkijat ovat julkaisseet alaan liittyvästä fysiikan tutkimuksesta laajan katsausartikkelin arvostetussa Reports on Progress in Physics -lehdessä.

Kvanttimekaniikassa keskeinen käsite on energiataso. Kun kvanttisysteemi, esimerkiksi atomi, absorboi fotonin eli valokvantin, siirtyy se yhdeltä energiatasolta toiselle, jolla on korkeampi energia. Kun energiatasojen välistä energiaa pystytään muuttamaan, puhutaan taajuusmodulaatiosta. Kvanttilaitteissa taajuusmodulaatiota käytetään muun muassa laitteen eri osien vuorovaikutuksien hallinnassa, aiheuttamaan siirtymiä kvanttitiloista toiseen sekä muokkaamaan energiarakenteita halutunlaisiksi.

“Kvanttimekaanisen taajuusmodulaation perusteoria on tunnettu 1930-luvulta saakka, mutta 2000-luvun kvanttiteknologioiden läpimurto on kiihdyttänyt tarvetta ymmärtää kvanttimekaanisen taajuusmodulaation fysiikkaa syvemmin ja kehittää siihen parempia teoreettisia työkaluja”, toteaa tutkijatohtori Matti Silveri Oulun yliopistosta.

Tällainen taajuusmodulaation hallinta on tärkeää kehitettäessä tarkempia kvanttilaitteita ja nopeampia kvanttioperaatioita pienen kokoluokan kvanttitietokoneisiin. Kvanttilaitteiden ja -laskennan ala on nopeasti kasvava ja siihen ovat viime aikoina investoineet myös isot teollisuusyritykset kuten Google, Intel, IBM ja Microsoft.

“Halusimme koota yhteen viimeaikaisia teoreettisia ja kokeellisia tuloksia kvanttimekaanisesta taajuusmodulaatiosta erilaisissa fysikaalisissa rakenteissa ja näin osaltamme kiihdyttää kvanttiteknologioiden tutkimusta”, kertoo dosentti Sorin Paraoanu Aalto-yliopistosta.

Katsausartikkeli käsittelee taajuusmodulaation fysiikkaa suprajohtavissa sähköpiireissä, ultrakylmissä kaasuissa, timanttien hilavirheissä ja nanoelektromekaanisissa värähtelijöissä. Näissä rakenteissa energiatasoja voidaan muunnella tarkasti esimerkiksi jännitteiden, mikroaaltojen tai laserien avulla. Artikkelin teoreettiset tulokset ovat yleisiä ja siten sovellettavissa moniin erilaisiin rakenteisiin.

Lisätietoja:

Tutkijatohtori Matti Silveri
Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusryhmä, Oulun yliopisto
p. 040 754 1759
matti.silveri@oulu.fi

Dosentti, tutkimusryhmän johtaja Sorin Paraoanu
Kvantti-tutkimusryhmä, Aalto-yliopisto
p. 050 344 2650
sorin.paraoanu@aalto.fi

Artikkeli: Quantum systems under frequency modulation. Reports on Progress in Physics 80, 056002 (2017).