Mihin tiede on menossa? Tämä kuulostaa vaikeasti vastattavalta kysymykseltä. Mutta itse asiassa tieteen ja teknologian kehityksessä on hyvin helposti nähtävissä tiettyjä suuntia: ollaan menossa kohti pienuutta, kylmyyttä ja nopeutta. Pienuuden saavutukset ovat tuttuja jokaiselle: esimerkiksi yhä pienemmät integroidut piirit, jotka antavat meille yhä nopeampia tietokoneita. Nopeus ja pienuus liittyvätkin usein yhteen. Sen sijaan kylmyyden saavutukset ovat vähemmän jokapäiväisiä: jäähdyttämällä ainetta muutamien asteiden tai asteiden osien päähän absoluuttisesta nollapisteestä on päästy näkemään kvanttimekaniikan ilmiöitä, joita on ennustettu jo miltei sata vuotta sitten, mutta joiden havaitseminen on mahdotonta korkeammissa lämpötiloissa.
Mihin tiede on menossa? Tämä kuulostaa vaikeasti vastattavalta kysymykseltä. Mutta itse asiassa tieteen ja teknologian kehityksessä on hyvin helposti nähtävissä tiettyjä suuntia: ollaan menossa kohti pienuutta, kylmyyttä ja nopeutta. Pienuuden saavutukset ovat tuttuja jokaiselle: esimerkiksi yhä pienemmät integroidut piirit, jotka antavat meille yhä nopeampia tietokoneita. Nopeus ja pienuus liittyvätkin usein yhteen. Sen sijaan kylmyyden saavutukset ovat vähemmän jokapäiväisiä: jäähdyttämällä ainetta muutamien asteiden tai asteiden osien päähän absoluuttisesta nollapisteestä on päästy näkemään kvanttimekaniikan ilmiöitä, joita on ennustettu jo miltei sata vuotta sitten, mutta joiden havaitseminen on mahdotonta korkeammissa lämpötiloissa.
Kvanttimekaaniseen laskentaan perustuvalla uudenlaisella tietokoneella, kvanttitietokoneella, on potentiaalia kyetä ratkaisemaan tiettyjä monimutkaisia ongelmia, joihin parhaiden supertietokoneidenkaan laskentateho ei riitä. Tästä syystä toimivaa kvanttitietokonetta ja sen laskentayksikköä, kubittia, kehitetään nykyään lukuisissa yliopistoissa ja yrityksissä ympäri maailmaa. Yksi lupaavimmiksi osoittautuneista menetelmistä on käyttää kubittina suprajohtavaa virtapiiriä, josta voidaan muodostaa makroskooppinen kvanttimekaaninen kaksitilasysteemi. Nopean laskennan mahdollistamiseksi yhden kubitin operaatiot eli kvanttiportit on toteutettava nopeilla pulsseilla. Riittävän tarkan operaation saavuttamiseksi suprajohtaville kubiteille käytetään usein heikkoa kapasitiivista kytkentää ulkoiseen resonaattoriin, jolloin tavoiteltu nopeus saavutetaan pulssin tehoa kasvattamalla. Suuri teho voi kuitenkin aiheuttaa kubitin lämpenemistä, mikä heikentää sen koherenssia sekä operaation tarkkuutta. Tässä työssä ongelman ratkaisuksi esitetään kubitin ajamista tyypillisen resonanssialueen sijaan epäresonanssissa, jolloin pulssin kesto on mahdollista saada lyhenemään hyvin nopeasti ajotehon kasvaessa. Lisäksi epäresonanssiajossa kubitin ja ulkoisen resonaattorin väliin voidaan lisätä kubitin taajuuden estävä suodatin, mikä parantaa kubitin elinaikaa merkittävästi. Työssä tutkitaan numeerisesti simuloiden kahden epäresonanssimenetelmän, aliharmonisen ajon sekä kahta ajotaajuutta hyödyntävän nk. kahden taajuuden ajon, toimivuutta unimon-kubitilla, joka on Aalto-yliopistossa kehitetty lupaava suprajohtava kubitti. Tuloksia verrataan unimonin resonanssiajoon. Tulokset osoittavat, että tutkituissa epäresonanteissa ajoalueissa kvanttiportin nopeutta voidaan kasvattaa vain pienellä lisäyksellä ajojännitteeseen, mikä vahvistaa epäresonanssiajon potentiaalia resonanssiajoon nähden. Unimonille lupaavimmalta ajomenetelmältä vaikuttaa kahden taajuuden ajo, sillä tällä menetelmällä saavutetaan lähes resonanssiajoa vastaava porttien tarkkuus. Tarkkuutta voidaan yhä parantaa optimoimalla käytettäviä ajotaajuuksia, jolloin kahden taajuuden ajo nousee vahvuuksiensa ansiosta erittäin varteenotettavaksi menetelmäksi unimonin ajamiseen.
Kvanttimekaniikan varhaisvaiheesta alkaen nousi esille kysymys, vaikuttaako havaitseminen havainnon kohteeseen, ja jos vaikuttaa, niin millä tavalla. Kysymys herättää edelleenkin kiinnostusta, kuten esimerkiksi vast'ikään Tieteessä tapahtuu -lehdessä julkaistu artikkeli Kallio-Tamminen 2000 osoittaa. Seuraavassa esitän asiasta vain eräitä aivan elementaarisia ajatuksia, jotka fysiikan tutkijalle ovat itsestään selviä. Sen enempää matemaattisiin kuin "filosofisiinkaan" aspekteihin en puutu. Tarkastelen asiaa "tavallisen lukijan" kannalta, jolle jotkut asiasta esitetyt näkemykset kenties tuntuvat hieman häkellyttäviltä. Syynä tähän saattaa olla mm. se, että sanaa "havainto" käytetään tässä yhteydessä monessa mielessä, jotka eivät aina tunnu vastaavan sitä, mitä tavallinen lukija tuolla sanalla tarkoittaa.
Työssä tutkittiin energiaspektroskopian soveltuvuutta suprajohtavan tetraedrikvanttibitin tutkimukseen. Tätä tarkoitusta varten valmistettiin näyte eli nanokokoinen suprajohtava mikropiiri, joka toimisi kvanttibittinä. Näyte koostuu useasta Josephsonin junktiosta, jotka on kytketty tetraedrisymmetrisesti toisiinsa. Näytteen valmistukseen käytettiin elektronisuihkulitografiaa ja tyhjiökammiohöyrystystä. Teoriaosuudessa lasketut kvanttibitin aaltofunktioiden symmetriat antavat mahdolliset kvanttimekaaniset siirtymät (piikit jännitevirtamittauksessa), joita spektroskopialla yritettiin havaita näytteen ollessa jäähdytettynä kryostaatilla alumiinin suprajohtavaan tilaan. Työssä esitellään näytteen valmistukseen käytetyt menetelmät ja esitetään suprajohtavuuteen liittyvä perusteoria joka lopuksi tarkennetaan ottamaan kvanttimekaaniset ilmiöt huomioon. Lisäksi esitellään kokeellisista mittauksista saadut tulokset ja niiden analyysi. Työ suoritettiin kokonaisuudessaan Kylmälaboratorion tiloissa Otaniemessä. Mittauksissa keskityttiin kvanttibitin energiatasospektroskopiaan, jossa yritettiin havaita resonansseja kvanttibitin alimmista diskreeteistä energiatasoista, joiden suuruusarvio laskettiin kvanttimekaniikan avulla. Osoittautui kuitenkin, että jännitevirtamittausten tulokset ovat hyvin herkkiä näytteen parametreille. Spektroskopia onnistui, mutta mittaustulosten tulkinta on hankalaa ja siten niitä jouduttiin selittämään monien eri mallien avulla. Lopputuloksena todettiin, että spektroskopian onnistumisen kannalta valmistettu näyte oli marginaalinen tietyiltä kvanttimekaanisilta ominaisuuksiltaan.
Kvanttilaskennasta odotetaan mullistavaa teknologiaa, mutta miten sitä oikeastaan pyritään toteuttamaan ja kuinka pitkälle kehitys on edennyt? Mitä muuta tarvitaan kuin vain paljon kubitteja? Tässä kirjallisuuskatsauksessa pyritään alaan perehtymättömälle ymmärrettävällä tavalla selvittämään kvanttilaskennan johtavat toteutusmenetelmät, nykytila ja merkittävimmät haasteet pääpiirteissään. Kvanttilaskennan idea alkoi kehittymään 1970- ja 1980-lukujen vaihteessa, ja 1990-luvulla kvanttialgoritmien tutkimus lisäsi löydöksillään alan saamaa huomiota. 2000-luvun alkuun mennessä oli jo onnistuttu kokeellisesti tuottamaan pieniä, korkeintaan muutaman kubitin systeemejä useammalla erilaisella menetelmällä. Kubitiksi voidaan periaatteessa valita mikä tahansa hallittavissa oleva kaksitilainen kvanttisysteemi, mutta lupaavimmat toteutukset perustuvat atomi-ionien elektronien viritystiloihin tai suprajohtaviin värähtelypiireihin. Ioniloukku pitää kubitteina käytettävät jäähdytetyt ionit sähkömagneettisten kenttien avulla leijumassa tyhjiössä. Kubittien tilaa hallitaan eli portteja toteutetaan sopivan polarisaation, taajuuden ja keston laser- tai mikroaaltopulsseilla. Laskennalle välttämättömät kahden kubitin portit hyödyntävät informaation välityksessä loukussa pidettävien ionien yhteisen värähtelyliikkeen kvantittumista. Suprajohtavien piirien valmistuksessa sovelletaan puolijohdeteollisuuden menetelmiä. Värähtelypiirin energiatilat ovat kvantittuneet, ja näistä kaksi alinta vastaavat kubitin tiloja. Siirtymiä näiden tilojen välillä hallitaan mikroaaltosäteilyllä, jonka fotonien energia vastaa energiatilojen erotusta. Kubittien keskinäinen lomittaminen usean kubitin operaatioissa on mahdollista piirien ollessa kytkettyinä toisiinsa kapasitiivisesti tai induktiivisesti, toteutustavasta riippuen. Kvanttitietokoneet vaativat huomattavan monipuolista laitteistoa muun muassa kubittien jäähdyttämiseen ja mittaamiseen sekä hallintasignaalien tuottamiseen ja välittämiseen. Nykyään kvanttitietokoneilla pystytään jo suorittamaan lyhyitä algoritmeja, mutta käytännön kannalta merkityksellisten ongelmien ratkaisemisessa klassiset supertietokoneet pärjäävät edelleen paremmin. Kvanttitietokoneiden skaalaamista hyödylliseen mittakaavaan hidastavat lukuisat ongelmat, joista suuri osa perustuu vaatimukseen voida hallita suurta määrää häiriöherkkiä kubitteja erittäin tarkasti.
Tässä kirjallisuuskatsauksena toteutetussa tutkielmassa tarkastellaan ionisoivan säteilyn vaikutuksia kvanttitietokoneiden elektroniikkaan. Tutkielman tavoitteena on selvittää, miten ionisoiva säteily vaikuttaa suprajohtaviin kubitteihin ja millaisia virheitä se aiheuttaa kvanttilaskennassa. Lisäksi tutkielma käsittelee kvanttilaskennan kannalta olennaisia käsitteitä ja fysikaalisia ilmiöitä, jotka ovat välttämättömiä aiheen tieteellisemmän käsittelyn kannalta. Erityisesti perehdytään kosmisesta säteilystä peräisin olevien myonien ja ympäristön radioaktiivisten alkuaineiden hajoamistuotteina syntyvien γ-säteiden vaikutuksiin suprajohtavassa kubitissa. Tutkielmassa huomataan ionisoivan säteilyn aiheuttavan kvanttilaskennassa relaksaatio-, vaihe-ero- ja korreloituja virheitä, mutta erityisesti korreloitujen virheiden aiheuttavan haasteita virheenkorjausmenetelmissä. Tutkielmassa myös käsitellään virheenkorjausmenetelmiä ja ratkaisuja säteilysuojaukseen. Tutkielman perusteella voidaan todeta ionisoivan säteilyn vaikutusten ymmärtämisen olevan tärkeää vikasietoisen kvanttilaskennan kehittämiseksi. Tulokset osoittavat myös, että tarvitaan lisätutkimusta korreloitujen virheiden suojausmekanismien kehitykseen.
Tutkielmassa käsitellään avoimia kvanttisysteemejä ja niiden kehitystä, lisäksi tutkielman lopussa simuloidaan tiettyä kvanttisysteemiä. Avoimien kvanttisysteemeiden vuorovaikuttaessa ympäristön kanssa, kvanttisysteemi kokee dekoherenssia, menettäen informaatiota ympäristöönsä. Dekoherenssi on keskeinen osa avoimen kvanttisysteemin kehittymistä. Avoimen kvanttisysteemin kehitystä ei voida kuvata unitaarioperaattoreilla, toisin kuin suljetulle systeemille. Kehitystä saadaan, kuitenkin mallinnettua masteryhtälöiden avulla. Kehitys voi olla Markovista, milloin kvanttisysteemi vain vuotaa informaatiota ympäristöönsä. On myös mahdollista, että ympäristö vuotaa informaatiota takaisin kvanttisysteemin, milloin kvanttisysteemin kehityksessä täytyy huomioida ympäristön muisti. Todellisuudessa kaikki kvanttisysteemit ovat avoimia, sillä mitään systeemiä ei voida eristää täysin ympäristöstään. On myös hyvä huomata, että masteryhtälöt ovat approksimaatioita systeemin kehityksestä, jotka pohjautuvat yksinkertaistuksiin ja oletuksiin.