JYUnity

Kvanttitietokoneiden kehitystä seuraaville on tarjolle uunituoretta tietoa kehityksen edistysaskeleista, kun pitkällä kvanttitietokoneen rakennustöissä oleva professori John Martinis luennoi työstään Fysiikan päivien verkkotapahtumassa 24.-26. maaliskuuta. Fysiikan päivien teemana on ”One physics – All sizes”. Esillä ovat myös sähköä ja valoa ohjaavat ”DNA-origamit”, joilla tehdään lyömättömän pientä nanoelektroniikkaa. Kokoluokasta siirrytään sujuvasti vieläkin pienempiin ilmiöihin aina hiukkasfysiikkaan sekä vastaavasti  massiivisiin kosmologisiin objekteihin. 

John Martinis ryhmineen osoitti kvanttiprosessorin toimivuuden vuonna 2019.

Professori John Martinis on suprajohtavien kvanttipiirien tutkimuksen edelläkävijä. Hän työskentelee  Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa ja on tehnyt yhteistyötä Googlen kanssa kvanttitietokoneen kehittelyssä. Arvostettu Nature-tiedelehti valitsi hänet kymmenen merkittävimmän tieteentekijän joukkoon 2019.

Kvanttilaskennan alkuaikoina Martinis keksi uraauurtavia uudenlaisia suprajohtavia kvanttibittejä, eli lyhyemmin kubittejä, jotka perustuivat yksittäisiin Josephson-liitoksiin. Tästä työstä hän sai vuonna 2014 London Prize -palkinnon, joka on joka kolmas vuosi jaettava arvostettu palkinto matalan lämpötilan fysiikan alalla.

Vuonna 2019 Martinis ryhmineen osoitti käytännössä kvanttiprosessorin toimivuuden ja ylivoimaisuuden. Kvanttitietokone suoritti laskelman, joka veisi nopeimmilta perinteisesti laskevilta supertietokoneilta noin 10 000 vuotta, arvioivat Googlen asiantuntijat tuolloin.

Jyväskylän yliopiston ja Suomen Fyysikkoseuran vieraana Martinis kertoo Fysiikan päivillä 24.3., miten kvanttiherruus saavutettiin suprajohtavalla prosessorilla.

Nykyään Martinis työskentelee piipohjaisten kubittien parissa

Tällä hetkellä John Martinis rakentaa piipohjaista kvanttitietokonetta yhdessä australialaisen yrityksen kanssa. Kvanttitietokoneen piipohjaiset toteutukset eivät ole tällä hetkellä yhtä kehittyneitä kuin suprajohtaviin piireihin perustuvat, mutta toisaalta pii tarjoaa mahdollisesti suprajohtavia piirejä helpomman tien isompiin kvanttipiireihin. Lisäksi piikubiteillä on suprajohtavia kubitteja pidempi elinaika.

Apulaisprofessori Juha Muhonen (oik.) tutkii piikubittien kommunikointiväyliä  Nanotiedekeskuksessa. Ryhmään kuuluvat tutkijat Cliona Shakespeare ja Teemu Loippo.

”Tämä saattaa mahdollistaa monimutkaisemmat kvanttialgoritmit sekä erityisesti kvanttimuistit. Piipohjaiset kubitit ovat myös äärimmäisen pieniä – muutaman atomin kokoluokkaa – mikä mahdollistaa sen, että niitä voidaan periaatteessa sovittaa tuhansia samalle pinta-alalle kuin yksi suprajohtava kubitti. Toisaalta piikubiteille ei ole vielä olemassa yhtä kehittyneitä menetelmiä kubittien väliseen kommunikointiin kuin suprajohtaville piireille”, kertoo fysiikan päivien järjestäjä, apulaisprofessori Juha Muhonen Jyväskylän yliopistosta.

Muhonen tutkimusryhmineen tutkii piikubittien kommunikointiväyliä Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa.

Fysiikkaa ja biologiaa yhdessä: ”DNA-origamit” ohjaavat valoa ja sähköä

Apulaisprofessori Jussi Toppari valmistaa DNA-origameja hyödyntäen nanokokoisia metallisia rakenteita. Kuvassa Toppari asettaa DNA-nanolaitetta sähköiseen mittaukseen Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa.

Apulaisprofessori Jussi Topparin Molekyylielektoriikan ja plasmoniikan -tutkimusryhmä yhdistää fysiikkaa ja biologiaa tavalla, josta on lupa odottaa lyömättömän pientä ”DNA-elektroniikkaa” tulevaisuuden nanoteknologisiin laitteisiin.

Ryhmän työkaluina ovat DNA-molekyylit ja muut nanokokoluokan komponentit kuten metalliset nanohiukkaset.

”Niin sanottu DNA-origami syntyy, kun pidempään pätkään luonnosta saatua DNA-juostetta lisätään tietyin välein lyhyempiä synteettisiä niittijuosteita, jotka nitovat DNA:n haluttuun muotoon”, kertoo Fysiikan päivien pääjärjestäjä, apulaisprofessori Jussi Toppari.

Kaksi DNA-origamia sekä niistä valmistetut metalliset nanorakenteet, koossa 100 nm x 100 nm. Ylimpänä on tietokoneella laskettu suunnitelma origamista. Toisella rivillä on atomivoimamikroskooppikuva origamista ja alimpana pyyhkäisyelektronimikroskoopin kuva origamista DNA-Assisted LIthography (DALI) –menetelmällä valmistetusta metallirakenteesta.

Kun tähän rakennelmaan liitetään muita komponentteja kuten metallisia nanopartikkeleita, saadaan toiminnallisia laitteita ja nanorakenteita, jotka ohjaavat sähköä tai valoa. Näistä esimerkkinä mainittakoon ryhmän DNA:n itsejärjestyvyyden avulla aikaisemmin valmistama yhden elektronin transistori.

Tällä hetkellä Topparin ryhmä kehittää laitteita, jotka perustuvat hänen ja sekä hänen yhteistyökumppaneidensa saavutukseen parin vuoden takaa, eli niin sanottuun DALI-menetelmään, jolla saadaan aikaiseksi erittäin monimutkaisia nanokokoisia metallisia rakenteita hyödyntämällä DNA-origameja yhdessä muiden perinteisempien nanovalmistusmenetelmien kanssa.

Menetelmän jatkokehityksestä kuullaan kaksi esitystä myös Fysiikan päivien nanotiede-osiossa.

Jussi Topparin ryhmä työskentelee Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa, jossa tieteenalat yhdistyvät sulavasti: talossa työskentelee yli 140 fyysikkoa, kemistiä ja biologia yhteistyössä.

Professori Laura Na Liu luennoi DNA-nanolaitteista, joita voi käyttää herkkään havainnointiin.

DNA-origameihin perustuvista itsejärjestyvistä optisista nanokomponenteista tulee Fysiikan päiville myös puhumaan alan johtaviin asiantuntijoihin kuuluva professori Laura Na Liu, joka johtaa Fysiikan Instituuttia Stuttgartin yliopistossa. Hänen uransa on laajalti palkittu ja hänet on valittu muun muassa yhdeksi eniten viitatuimmaksi tutkijaksi maailmassa.

Na Liu kertoo monista erityisesti optiikkaan soveltuvista DNA-nanolaitteista, kuten reaaliajassa muunneltavista optisista komponenteista, joita voidaan käyttää hyvin herkkään havainnointiin tai optisten metamateriaalien toteuttamiseen. Linkki esitykseen.

Lisää fysiikan kärkiaiheista kaikissa kokoluokissa kuulet Fysiikan päivien verkkotapahtumassa 24.-26.3.2021. Maksuttoman verkkotapahtuman järjestävät Jyväskylän yliopisto ja Suomen Fyysikkoseura. Ilmoittautuminen viimeistään 19.3.