Helmikuussa Aalto-yliopiston tutkijaryhmä kertoi siirtäneensä lämpöä kvanttirajoittuneesti kymmenentuhatta kertaa pidemmälle kuin koskaan aikaisemmin. Professori Mikko Möttösen johtama tutkimusryhmä oli onnistunut Otaniemessä siirtämään lämpöä maksimaalisen tehokkaasti metrin verran. Kvanttimaailmassa se on valtavan pitkä matka.

Kvanttirajoittunut lämmönsiirto tarkoittaa, että lämpö siirtyy lämpimästä kappaleesta kylmään kappaleeseen ilman häviötä tai heijastuksia.

Möttösen ryhmän saavutuksesta julkaistiin artikkeli arvostetussa Nature Physics -tiedelehdessä. Kyseessä oli jo toinen tänä vuonna Nature-sarjassa julkaistu artikkeli, jossa Möttösen nimi komeilee. Tammikuussa Möttönen julkaisi artikkelin kvanttisolmuista, jotka tutkijaryhmä onnistui luomaan ensimmäisenä maailmassa. Toisensa läpäisevistä renkaista muodostuvia kvanttisolmuja saatetaan tulevaisuudessa hyödyntää kvanttitietokoneiden laskentaprosesseissa.

Möttösen johtama ryhmä tekee kansainvälistä huippututkimusta pienen luokkahuoneen kokoisessa tilassa Espoon Otaniemessä. Vastaavanlaista tutkimusta tehdään muutamassa kymmenessä laboratoriossa ympäri maailmaa. Eikä Möttönen ole yksin Otaniemessäkään. Espoossa kvanttiteknologian parissa työskentelee kourallinen vahvoja ryhmiä.

– Kiitos vertaansa vailla olevan tutkimusympäristön, Möttönen kehuu.

Mikronova on Aalto-yliopiston ja VTT:n yhteinen mikro- ja nanoteknologiakeskus. Siellä sijaitsevassa puhdastilassa valmistetaan mikro- ja nonoteknologisia näytteitä sekä laitteita. Lämmönjohtavuusennätyksessä käytetty näyte valmistettiin tässä tilassa. Jyrki Lyytikkä/Yle

Kvanttiteknologia on mielenkiintoinen, mutta haastava tutkimuskohde. Läpimurto alalla voi mullistaa lääkesuunnittelun tai mahdollistaa maailmankaikkeuden simuloinnin. Varmaa on, että nykyaikaiset salaustekniikat eivät selviä kvanttivallankumouksesta. Kvanttiteknologian merkityksestä kertoo se, että huomattava osa viime vuosien fysiikan Nobel-palkinnoista on myönnetty kvanttialoille.

Kvanttimekaniikasta puhuttaessa maallikko usein putoaa kärryiltä jo ensimetreillä. Toisaalta harva ymmärtää kovinkaan syvällisesti esimerkiksi tavallisenkaan tietokoneen toimintaperiaatteita, Möttönen muistuttaa. Ja kun kvanttien kanssa on viettänyt tarpeeksi aikaa, kvanttimekaniikastakin tulee arkista.

– Me vain jäähdytämme sähköpiirit kylmiksi, ne muuttuvat suprajohtaviksi ja käyttäytyvät kvanttimekaniikan sääntöjen mukaan, Möttönen miettii.

Bitit superpositiossa

Ihmiskunnan tietoisuus fysiikan kvanttitasosta syntyi 1900-luvun taitteessa. Yhtenä löytäjänä pidetään saksalaista fyysikkoa Max Planckia, joka ehdotti sähkölamppuja tutkiessaan, että aivan pienillä hiukkasilla on energia, jota ei voi jakaa. Tämä jakamaton osa tunnetaan nykyään kvanttina. Esimerkiksi sähkömagneettisen säteilyn eli valon kvantti on fotoni.

Kvanttien energiat ovat usein niin pieniä, ettei niitä voida havaita perinteisin keinoin. Jo pelkästään mittaustilanne häiritsee herkkiä kvantteja, jolloin lähes ainoaksi tavaksi mitata yksittäisiä kvantteja jää niiden ampuminen toisilla kvanttihiukkasilla ja katsoa, miten ne käyttäytyvät. Yksinkertaistaen, kimpoavatko ne oikealle vai vasemmalle.

Nämä hiukkaset eivät kuitenkaan aina kimpoa vain oikealle tai vasemmalle. Ne kimpoavat yhtä aikaa sekä oikealle että vasemmalle. Tätä kutsutaan kvanttimekaniikassa superpositioksi. Vasta mitattaessa selviää, minkä suunnan partikkeli valitsee.

Tämä on se tulkinta, jota itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger kuvasi ajatuskokeessaan laittamalla kissan myrkkypullon kanssa laatikkoon. Normaalissa maailmassa kissa on joko elossa tai kuollut, riippuen siitä, onko myrkkypullon sinetti murtunut. Kvanttimekaniikan mukaan kissa on superpositiossa, eli elossa ja kuollut samanaikaisesti. Vasta laatikon avaaminen, eli mittaaminen, paljastaa kissan kunnon.

Dippitikkua käytetään nopeisiin testeihin. Näyte asennetaan dippitikku päähän ja upotetaan nesteheliumiin, joka jäähdyttää näytteen 4,2 kelviniin. Jyrki Lyytikkä/Yle

Tämä kvanttimekaniikan paljastama ominaisuus on kvanttitietokoneen tehokkuuden ydin. Kun perinteisessä tietokoneessa bitit ovat joko ykkösiä tai nollia, kvanttitietokoneen bitit, kubitit, ovat ykkösiä ja nollia yhtäaikaisesti. Tämä mahdollistaa valtavan laskentatehon, kun kubitit voivat samanaikaisesti muodostaa minkä tahansa bittijonon. Kubitin arvo paljastuu, kun se mitataan laskennan jälkeen.

Kubitit ovat kuitenkin erittäin herkkiä häiriöille. Ne pitää eristää mahdollisimman tehokkaasti ympäristöstään, mikä johtaa lämmön nousuun. Lämpö niin ikään häiritsee kubitteja ja johtaa virheisiin koneen muistissa. Tämä on se ongelma, johon Möttösen johtama reilun kymmenen hengen tutkijaryhmä pyrkii löytämään ratkaisun.

Ensimmäinen askel oli lämmön siirtäminen kvanttirajoitteisesti metrin matkan. Seuraavaksi Möttösen ryhmä yrittää päästä hyödyntämään maksimaalisen tehokasta lämmönsiirtoa kvanttibittien jäähdytyksessä. Mitä paremmin jäähdytys toimii, sitä varmemmin kubitit suoriutuvat laskennasta.

Lähellä absoluuttista nollapistettä

Jäähdytysongelman ratkaisu sopii hyvin Möttöselle, joka päätyi sähköisten kvanttien pariin Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratorion kautta. Viime vuosituhannen lopulla teknillisen fysiikan ja matematiikan opinnot Otaniemessä aloittanut Möttönen palautti kolme vuotta myöhemmin tarkastettavaksi diplomityön Bosen-Einsteinin kondensaateista.

– Bosen-Einsteinin kondensaatti on atomikaasu, joka jäähdytetään todella kylmäksi, paljon kylmemmäksi kuin mitä nuo meidän pakastimet menevät, Möttönen kertoo.

Möttösen "pakastimet" kylmenevät alle sadasosa-asteen päähän nollasta kelvinistä eli absoluuttisesta nollapisteestä. Kylmälaboratoriossa päästään alle asteen tuhannesosaan.

– Helposti.

Kylmyys tuo esiin kvanttimekaaniset ilmiöt, kun atomien liike hidastuu. Alle -273 celsiusasteeseen jäähdytetyssä Bosen-Einsteinin kondensaatissa atomit menevät kvanttimekaaniseen perustilaansa, eli alimmalle kvantilleen.

Kondensaatteja tutkiessaan Möttönen tutustui japanilaiseen professoriin Mikio Nakaharaan, joka oli vierailemassa Otaniemessä professori Martti Salomaan laboratoriossa. Kvanttilaskentaa ja atomikaasujen teoriaa tutkivalla Nakaharalla oli ajatus, miten ulkoisia magneettikenttiä kääntämällä kondensaatteihin voitaisiin luoda vortekseja eli virtauspyörteitä.

Kuan Yen Tan (vas.) ja Mikko Möttönen avaamassa nestemäistä heliumia sisältävää säiliötä. Taustalla keskellä näkyy heidän tekemänsä kryostaatti, joka upotetaan säiliöön. Jyrki Lyytikkä/Yle

Kaksikko päätyi tekemään yhteistyötä kvanttivorteksien parissa. Möttönen teki mallinnuksia Nakaharan ideoiden pohjalta ja miehet julkaisivat muutaman artikkelin havainnoistaan.

Myöhemmin arvostetussa yhdysvaltalaisyliopistossa MIT:ssä työskennellyt fyysikko Wolfgang Ketterle toteutti ryhmänsä kokeissa Möttösen ja Nakaharan simuloimat mallit. Kyseessä on sama Ketterle, joka vuonna 1995 toteutti Bosen-Einsteinin kondensaatin yhtenä ensimmäisistä maailmassa. Tästä hän sai Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2001.

– Se oli hieno juttu, että meidän tulokset oli nähty niin tärkeiksi, että joku toteutti ne kokeessa, Möttönen hymyilee.

Möttönen väitteli vortekseista joulukuussa 2004. Samalla hän alkoi kiinnostua yhä enemmän kvanttilaskennasta. Väittelyn jälkeen hän lähti Berkeleyn yliopistoon tutkimaan kvanttilaskentaa ja sitä, miten ympäristö vaikuttaa kvanttibitteihin.

Huippututkimus apurahojen varassa

Möttönen on johtanut omaa tutkijaryhmäänsä vuodesta 2007. Akateemikko Risto Nieminen teki Möttösestä tutkimusryhmän johtajan, kun Suomen Akatemia myönsi tälle tutkijatohtoriapurahan. Omaa kokeellista laboratoriotaan hän alkoi rakentaan kolme vuotta myöhemmin. Apurahat riittivät ainoastaan palkkojen maksuun, joten laboratorion ensimmäinen jäähdytyslaite eli kryostaatti piti rakentaa itse. Apua Möttönen sai professori Jukka Pekolalta, joka aikoinaan opasti Möttösen kokeellisen fysiikan pariin.

– Ei se ihan mutkatonta ollut. Sitä hierottiin hirveän kauan, että kyllä siihen palkkarahaa paloi aivan käsittämätön määrä, Möttönen naurahtaa.

On hyvä, että ainakin osa rahasta pitää hakea [...] mutta se suhde esimerkiksi minun ryhmässä on ihan nurinkurinen, kun lähes kaikki raha on kilpailtua. Mikko Möttönen

Ensimmäinen kaupallisesti valmistettu kryostaatti hankittiin, kun Euroopan tutkimusneuvosto myönsi Möttöselle 1,5 miljoonan euron apurahan viideksi vuodeksi. Viime maaliskuussa tutkimusneuvosto jatkoi Möttösen ryhmän tukemista myöntämällä tälle kaksi miljoonaa euroa seuraavaksi viideksi vuodeksi.

Mikko Möttönen työhuoneessaan Otaniemen Mikronovassa. Jyrki Lyytikkä/Yle

Kun yliopistojen rahoitusta leikataan, yhä suurempi osa tutkimuksen rahoituksesta on haettava muualta. Huipputulokset eivät takaa automaattista rahavirtaa.

– On hyvä, että ainakin osa rahasta pitää hakea. Jos meille kaikki tulisi lahjana pöytään, niin ei me niin paljon yritettäisi pinnistellä ja sinnitellä. Mutta se suhde esimerkiksi minun ryhmässä on ihan nurinkurinen, kun lähes kaikki raha on kilpailtua, Möttönen toteaa.

Kilpailu apurahoista on kovaa, joten hakemuksen pitää olla perusteellinen. Möttönen sanoo Euroopan tutkimusneuvostolle lähetettävän hakemuksen tekemisen vievän kuukausia, mikä on pois itse tutkimukselta. Eikä tämä takaa, että apuraha myönnettäisiin.

Jos apurahan saa, siitä pitää maksaa "veroa" yliopistolle. Möttönen maksaa Aalto-yliopistolle muun muassa tiloista ja hallinnosta. Fyysikosta tuntuu, että yliopiston oman rahoituksen kiristyessä myös yliopiston harjoittama verotus kasvaa.

– Tutkimukseen jäävä lopullinen raha on yhä pienempi, joten pitäisi yrittää hakea enemmän niitä rahoja. Ja kun budjettia on sieltäkin kiristetty, niin se on aikamoinen suo.

Mikko Möttönen tekee sähköisiä kytkentöjä BlueForsin kryostaattiin. Möttösen pakastin kylmenee alle sadasosa-asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä (–273,15 °C). Jyrki Lyytikkä/Yle

Kvanttitietokoneen pitkä matka

Kvanttiteknologian Graalin malja on kvanttitietokone. Ajatus koneesta on yli 30 vuotta vanha. Yhdysvaltalaisfyysikko Richard Feynman esitti 1980-luvun alussa idean universaalista kvanttisimulaattorista, josta on myöhemmin kehittynyt ajatus kvanttitietokoneesta. Se, onko kvanttitietokoneita jo olemassa, riippuu siitä, miten asiaa tulkitaan.

Eri laboratorioissa on tähän mennessä onnistuttu rakentamaan muutaman kubitin koneita. Pisimmällä kehityksessä väittää olevansa kanadalainen tietokoneyhtiö D-Wave, joka viime kesänä ilmoitti rakentaneensa yli tuhannen kubitin kvanttitietokoneen. Yhdysvaltalainen asevalmistaja Lockheed Martin ja hakukonejätti Google ovat jo hankkineet omat D-Waven koneet, mutta kaikki eivät ole vakuuttuneita, että kyseessä olisi todellinen kvanttitietokone.

Yleinen näkemys on, että kvanttitietokone toteutuu. Mutta mitä kaikkia ongelmia pitää sitä ennen ratkaista, niin sitä ei vielä tiedetä. Mikko Möttönen

D-Wave ei ole julkaissut algoritmejaan, joten varmuutta sen kvanttilaskentaominaisuuksista ei ole. Kvanttibitit voi valjastaa usealla tavalla laskentaan. D-Waven koneiden katsotaan perustuvan kvanttimekaaniseen tunnelointiin. Toinen vaihtoehto on loogisiin portteihin perustuva kvanttitietokone, joka mukailee perinteistä tietokonetta ohjailemalla kubitteja pienin askelin. Sitten on topologinen kvanttitietokone, joka perustuu eksoottisiin näennäishiukkasiin, joilla on outoja ominaisuuksia.

Jos perinteisen tietokoneen toimintaperiaatteet menevät yli hilseen, kvanttikoneen perusteet suhahtavat suoraan stratosfääriin.

– Yleinen näkemys on, että kvanttitietokone toteutuu. Mutta mitä kaikkia ongelmia pitää sitä ennen ratkaista, niin sitä ei vielä tiedetä, Möttönen sanoo.

Päästiin lopputulokseen miten tahansa, kotikoneiden korvaajiksi kvanttitietokoneista ei ole vielä vuosikymmeniin. Harva tarvitsee kvanttilaskentaa kotioloissa ja jos tarvitsee, sitä voitaisiin Möttösen mukaan tarjota pilvipalveluna.

Kvanttitietokone pääsee oikeuksiinsa, kun suuresta määrästä tietoa pitää löytää yksi vastaus, esimerkiksi tietty numero puhelinluettelosta tai lyhyin reitti kaupungista toiseen. Ainakin aluksi kvanttilaskentaa hyödynnettäisiin suurien aineistojen laskemisessa ja ryhmittelyssä.

Mutta koska?

– Jos vaikka kahdenkymmenen tai kymmenen vuoden päästä se toimii, niin voin sanoa, että kyllähän minä tästä puhuin jo kauan sitten.

Kvanttimanifesti julistaa vallankumousta

Kvanttiteknologian vallankumoukseen ollaan varautumassa Euroopassa. Joukko tutkijoita ja tieteilijöitä on laatinut EU-komissiolle kvanttimanifestin, jossa peräänkuulutetaan yhteistä strategiaa kvanttiteknologian murrokseen.

Manifestissa kaavaillaan parempia edellytyksiä kvanttiteknologian opetukselle ja tutkimukselle vanhalla mantereella. Kirjoituksessa tutkijat asettavat tavoitteeksi muun muassa uusien asiantuntijoiden kouluttamisen ja kvanttiteknologian ja sen luomien mahdollisuuksien tekemisen tutuksi ihmisille. Julkaisussa myös painotetaan kvanttiteknologian luomia mahdollisuuksia uudelle liiketoiminnalle.

Yle Uutisgrafiikka

Lähtökohdat kvanttivallankumoukselle ovat hyvät Euroopassa, josta jo nyt löytyy laaja-alaisesti tutkijoita. Samalla teorian ja käytännön tutkimus nivoutuvat täällä toisiinsa muuta maailmaa sulavammin. Hyvä esimerkki tästä on Möttösen johtama tutkimus.

Kvanttimanifesti luovutettiin EU-komissiolle tällä viikolla Amsterdamissa järjestetyssä kvanttikonferenssissa. Manifestissa tutkijat pyytävät EU-mailta yhteensä miljardia euroa kvanttiteknologian tutkimukseen. Möttösen mukaan summan saaminen näyttää todennäköiseltä.

– Siksi myös Suomessa on erittäin tärkeää satsata kansallisesti kvanttiteknologiaan, jotta tätä miljardia saadaan mahdollisimman tehokkaasti käyttöön myös meillä, Möttönen sanoo.