Kvanttifysiikan ja -teknologian tutkimukselle EU:lta miljardirahoitus – Aalto-yliopisto mukana kolmessa projektissa
Aalto-yliopiston ryhmät tutkivat ja kehittävät kvanttiviestintäteknologiaa, kvanttioptisiin ilmiöihin perustuvia erityisherkkiä magneettiantureita sekä fotoneja välittäviä kvanttisiruja.
Euroopan unioni rahoittaa Quantum Flagship -hanketta miljardilla eurolla kymmeneksi vuodeksi ja siihen osallistuu yli 5000 tutkijaa. Lippulaiva tuo yhteen kvanttifysiikan parhaan tutkimuksen Euroopassa ja edistää uusien kvanttiteknologioiden saamista markkinoille.
Kvanttiteknologian tutkimukseen ja kehittämiseen on viimeisen vuosikymmenen aikana investoitu miljardeja euroja ympäri maailman. Alan sovellusten odotetaan mullistavan monia teollisuuden aloja elektroniikasta, tietojenkäsittelyyn ja materiaalitekniikkaan.
Aalto-yliopistolla on pitkä historia matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja laitteiden perustutkimuksessa sekä uuden teknologian kehittämisessä. EU:n lippulaivassa on mukana useita tutkimusryhmiä Aalto-yliopiston johtamasta Suomen Akatemian kvanttiteknologian kansallisesta huippuyksiköstä Quantum Technology Finland (QTF), jonka tutkimusohjelma kiinteän tilan kvantti-ilmiöiden hallintaan ja teknologioiden kehittämiseen on ainutlaatuinen maailmassa.
Lippulaivahankkeen projekti Quantum Microwave Communication and Sensing (QMiCS) aikoo hyödyntää lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytettyjen suprajohtavien piirien välittämiä mikroaaltoja ja niiden kvanttimaailman ominaisuuksia: lomittumista ja kvanttiteleportaatiota. Mikroaaltovaloa käytetään jo nyt laajasti elektroniikassa ja langattomassa viestinnässä, mutta mikroaaltojen kvanttitason ominaisuuksia ei ole vielä pystytty juuri hyödyntämään kaupallisessa teknologiassa. Ryhmä suunnittelee usean metrin pituista, mikroaaltojen kvantti-ilmiöitä hyödyntävää verkkokaapelia, jota voisi käyttää tiedonsiirtoon – eräänlaisena kvanttitietokoneita yhdistävänä ”kvanttilähiverkkona”.
”Tarkoitus on havaita kvanttitiedonsiirron perusilmiöitä, kuten kvanttitilojen teleporttausta mikroaaltofotonien avulla, ja rakentaa ensimmäinen lähiverkko niihin perustuvalle viestinnälle. Kehittämäämme teknologiaa voidaan tulevaisuudessa jalostaa ja toteuttaa esimerkiksi kvanttitutka tai kvanttitietokoneiden internet”, sanoo Mikko Möttönen QMiCS-projektin vastuullinen tutkija Aalto-yliopistossa.
Erityisherkkää anturiteknologiaa lippulaivassa kehittää Miniature Atomic Vapor-Cells Quantum Devices for Sensing and Metrology Applications (maxcQsimal) -projekti, jossa on mukana Aalto-yliopiston professori Lauri Parkkonen ryhmineen. Projektissa luodaan antureita, jotka mittaavat ennenäkemättömän herkästi magneettikenttiä, aikaa, pyörimisliikettä ja sähkömagneettista säteilyä.
Parkkosen ryhmä suunnittelee ja soveltaa magneettikenttäantureita aivosignaalien mittaamiseen magnetoenkefalografialla eli MEG:llä. He suunnittelevat MEG-anturiston, joka mukautuu tutkittavan henkilön pään kokoon ja muotoon – toisin kuin nykyinen suprajohtavuuteen perustuva anturisto. Aktiivisten aivoalueiden paikantaminen ja erottelu tarkentuvat huomattavasti, mistä on hyötyä niin perustutkimuksessa kuin kliinisissä sovelluksissa, esimerkiksi aivojen epileptisten alueiden paikannuksessa ennen leikkausta.
”Nykyisiin suprajohtaviin antureihin perustuvat MEG-järjestelmät ovat kalliita ja suurikokoisia niiden vaatiman erittäin matalan lämpötilan takia. Uudet anturit taas ovat pieniä, ne toimivat huoneenlämmössä ja ne saa suoraan potilaan pään pinnalle. Mittaustulokset voivat olla jopa yhtä tarkkoja kuin kallon sisäpuolelta tehtynä, joten uudella teknologialla on mahdollista vähentää epilepsiakirurgiaa edeltäviä, niin ikään kirurgiaa edellyttäviä mittauksia”, Lauri Parkkonen kertoo.
Scalable Two-Dimensional Quantum Integrated Photonics (S2QUIP) kehittää kvanttifotonisia hybridi-mikrosysteemejä, joita voi käyttää monissa arkisissa laitteissa, esimerkiksi tietoliikenteessä. Aalto-yliopiston professori Zhipei Sunin johtama ryhmä pyrkii tekemään kvanttivalolähteistä entistä tehokkaampia, skaalautuvampia ja toiminnoiltaan monipuolisempia.
”Tämän teknologian tulevaisuuden käyttömahdollisuudet ovat huikeat: niitä voidaan käyttää monilla eri aloilla, ei vain tietoliikenteessä, vaan myös kvanttisimulaatioissa, metrologiassa ja erilaisissa sensoreissa”, Zhipei Sun sanoo.
QMiCS ja S2QUIP ovat osa tutkimuksen kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland QTF. Lippulaivahankkeeseen osallistuu QTF:n kautta myös kaksi VTT:n ryhmää. Kaikki Aallon ja VTT:n ryhmät hyödyntävät tutkimuksessaan kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria.
QMiCS-projektia koordinoi Baijerin tiedeakatemian Walther Meißner -instituutti, macQsimal-projektia Centre suisse d'électronique et de microtechnique ja S2QUIP-projektia Kuninkaallinen teknillinen korkeakoulu
Tiedote: Quantum Technologies Flagship kicks off with first 20 projects
Lisätietoja:
Mikko Möttönen, tutkijatohtori
Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
mikko.mottonen@aalto.fi
puh. 050 594 0950
Lauri Parkkonen, professori
Aalto-yliopisto, neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitos
lauri.parkkonen@aalto.fi
puh. 040 508 9712
Zhipei Sun, professori
Aalto-yliopisto, elektroniikan ja nanotekniikan laitos
zhipei.sun@aalto.fi
puh. 050 430 2820