Kvanttibittien ja koneoppimisen avulla tarkkoja mittauksia

Jotta tulevaisuuden kvanttiprosessorit ja äärimmäisen herkät anturit toimisivat tehokkaasti,  on niistä saatava informaatiota nykyistä nopeammin. Sitä varten Aalto-yliopiston johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on kehittänyt magnetometrin, jonka tarkkuus rikkoo kvanttirajan. Avuksi on otettu myös koneoppiminen.

Yleinen nyrkkisääntö mittaustarkkuudelle on niin sanottu kvanttiraja: tarkkuus paranee käänteisesti suhteessa käytettävissä olevien resurssien neliöjuureen. Toisin sanoen, mitä enemmän resursseja – aikaa, säteilytehoa, kuvien määrää – käytetään, sitä tarkempia mittaukset ovat. Loputtomia resursseja ei kuitenkaan ole olemassa.

Aalto-yliopiston, Zürichin teknillisen yliopiston (ETH) ja Moskovan MIPT:n ja Landau-instituutin tutkijoiden ryhmä on yrittänyt luoda poikkeuksen nyrkkisääntöön. Tutkijat ovat kehittänyt uudenlaisen tavan mitata magneettikenttiä kvanttijärjestelmän avulla. Heidän magnetometrillään on mahdollista ylittää tarkkuuden kvanttiraja.

Kansainvälisessä npj Quantum Information -lehdessä julkaistussa artikkelissaan ryhmä kertoo, miten magneettikentän mittaamisen tarkkuutta voidaan parantaa. Siinä hyödynnetään suprajohtavan keinotekoisen atomin, kvanttibitin, häiriötöntä tilaa.

Tulokset ovat askel kvanttitehostettujen menetelmien käytölle anturirakenteissa. ”Halusimme rakentaa tehokkaan ja mahdollisimman vähän kohteeseen kajoavan mittaustekniikan”, selittää Aalto-yliopiston Kvantti-tutkimusryhmän johtaja Sorin Paraoanu.

Tutkijaryhmän käyttämä kvanttibitti eli kubitti on pieni laite, joka on tehty piisirun päällä höyrystetyistä alumiiniliuskoista. Kun kvanttilaite jäähdytetään erittäin matalaan lämpötilaan, sähkövirta virtaa laitteessa ilman vastusta, ja laitteen kvanttimekaaniset ominaisuudet alkavat muistuttaa oikeiden atomien ominaisuuksia.

Kun kvanttibittiä säteilytetään mikroaaltopulssilla – samantapaisella kuin tavallisessa mikroaaltouunissa – sen tila muuttuu. Muutos taas riippuu käytetystä ulkoisesta magneettikentästä: kvanttibittiä mittaamalla voidaan mitata myös magneettikenttää. Kvanttirajan ylittämiseksi on kuitenkin tehtävä vielä yksi temppu: ottaa avuksi hahmontunnistukseksi kutsuttu koneoppimisen menetelmä.

”Teemme ensin mittauksen ja annamme sen jälkeen hahmontunnistusalgoritmin päättää tuloksen perusteella, miten parametreja pitää muuttaa, jotta magneettikentästä saadaan nopein arvio”, kertoo Andrey Lebedev, joka on osallistunut tutkimuksen tekemiseen Zürichin teknillisessä yliopistossa ja työskentelee nyt Moskovan MIPT:ssä.

Kansainvälisten tahojen lisäksi Aalto-yliopiston tutkijoiden työ on tehty osana Teknillisen fysiikan laitoksen Centre for Quantum Engineering -keskuksen QMETRO-projektia sekä Suomen Akatemian kvanttiteknologian kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland. Kokeellisen tutkimuksen mahdollisti kansallinen tutkimusinfrastruktuuri OtaNano.

Lisää: Artikkeli npj Quantum Information -lehdessä (LINKKI)

Kuva: Suprajohtavista alumiiniliuskoista piisirulle rakennettua kvanttibittiä voi käyttää magneettikenttien havaitsemiseen. Kuva: Babi Brasileiro/Aalto-yliopisto.

Tärkeimmät teknologiauutiset kätevästi myös uutiskirjeenä! Tilaa (LINKKI)

LUE – UUTTA – LUE – UUTTA – LUE – UUTTA

Uusi ammattilehti huipputekniikan kehittäjille – Lue ilmaiseksi verkosta!