Kvanttianturit avaavat tietä mittaustekniikan uusille innovaatioille. Ne voivat mullistaa eri aloja aina terveydenhuollosta avaruus- ja puolustusteollisuuteen. Teknologian tutkimuskeskus VTT on kvanttiantureiden kehityksen edelläkävijöitä ja pyrkii kaupallistamaan teknologian laajempaan hyötykäyttöön. VTT:llä uskotaan vahvasti, että kvanttiteknologioiden yleistymisellä on merkittäviä myönteisiä vaikutuksia niin yhteiskuntaan kuin ympäristöönkin.
Elämme parhaillaan toista kvanttivallankumousta, jonka tavoitteena on kehittää uusia, kvanttimekaniikan lakeja hyödyntäviä teknologioita. Kvanttilaskennan saralla pyritään ratkaisemaan laskennallisia haasteita kvanttimekaniikan avulla. Laskennan lisäksi kvanttimekaniikka voi mullistaa myös mittaustekniikan alan. Erityisesti mahdollisuus hyödyntää kvanttitietokoneita varten kehitettyjä teknologioita sellaisinaan anturien suorituskyvyn parantamiseen vaikuttaa lupaavalta. Samaan aikaan kehitetään myös täysin uusia, varta vasten kvanttianturointiin suunniteltuja teknologioita.
"Aika on nyt otollinen kvanttiantureille. Olemme tehneet merkittäviä keksintöjä ja oppineet yhdistämään jo olemassa olevia teknologioita, mikä mahdollistaa äärimmäisen tarkat mittaukset ja anturoinnin", kertoo VTT:n mikroelektroniikka ja kvanttiteknologiaratkaisujen vetäjä Pekka Ikonen.
Miten kvanttianturit eroavat perinteisistä antureista?
"Kvanttianturit hyödyntävät kvanttimekaanisia ilmiöitä atomien ja atomia pienempien hiukkasten mittakaavassa", Ikonen selittää. "Kvanttianturit voivat tarjota suuremman mittaustarkkuuden hyödyntämällä atomien perusominaisuuksia ympäristön suhteellisten muutosten havaitsemiseen. Kvanttitilojen herkkyyden ansiosta anturit voivat havaita jopa kaikkein pienimmät muutokset, mikä mahdollistaa ennennäkemättömän mittaustarkkuuden."
Toisin kuin klassiset anturit, joiden suorituskyky heikkenee ajan myötä esimerkiksi ikääntyvien osien johdosta, atomeihin tai subatomisiin hiukkasiin perustuvat kvanttianturit tuottavat jatkuvasti tasalaatuisia mittaustuloksia ilman suorituskyvyn heikkenemistä. Tämä takaa niiden pitkäikäisyyden ja luotettavan toiminnan.
Monipuolisia sovelluksia avaruudesta puolustukseen
Kvanttiantureiden monipuolisuus näkyy erityisesti siinä, että niihin pohjautuvaa teknologiaa voidaan soveltaa eri aloilla – aina terveydenhuollosta avaruus- ja puolustusteollisuuteen. Erilaiset kvanttianturiteknologiat ja -ratkaisut, kuten suprajohtavat anturit ja anturit, jotka ohjaavat optisesti atomikaasukennoja tai timanttihiloja, voidaan räätälöidä erilaisiin käyttötarkoituksiin. Erilaiset käyttötarkoitukset ohjaavat anturiteknologioiden valintaa ja teknistä toteutusta.
"VTT:llä on pitkät perinteet suprajohtavien teknologioiden kehittämisessä. Esimerkiksi VTT:n suprajohtavia SQUIDeja (Superconducting Quantum Interference Device) käytetään lääketieteen alalla erittäin herkkinä magnetometreinä, joita käytetään aivojen kuvantamisjärjestelmissä. Niillä mitataan kaikkein heikoimpia aivojen hermosolujen tuottamia magneettikenttiä", Ikonen selventää. "VTT on myös kehittänyt SQUIDeja Euroopan avaruusjärjestön ESAn edistyksellisiin teleskooppeihin, joilla tutkitaan kuuman ja korkeaenergisen universumin ominaisuuksia."
Avaruusteollisuudessa kvanttiantureita käytetään myös pimeän aineen tutkimiseen ja vielä tuntemattomien hiukkasten etsimiseen ja havaitsemiseen, mikä saattaa auttaa meitä ymmärtämään paremmin maailmankaikkeutta.
"Puolustusteollisuudessa kvanttianturit ovat tutkimuksellisesti erittäin kysyttyjä ja strategisesti merkittäviä", Ikonen kertoo. "Niitä voitaisiin käyttää esimerkiksi maamiinojen tai sukellusveneiden paikantamiseen. Ne voisivat myös toimia perustana äärimmäisen tarkalle inertiamittausyksikölle (IMU), mikä mahdollistaisi riippumattomuuden satelliittipaikannuksesta."
Ikonen jatkaa: "Sen lisäksi, että meillä on pitkä kokemus suprajohtavien antureiden kehittämisestä, VTT MIKES -metrologialaitos on atomikelloihin liittyen maailmanluokan toimija. Yhdistettynä integroitujen optisten piirien ja laserteknologioiden osaamiseemme tämä mahdollistaa kykymme tukea tehokkaasti erilaisia puolustusteollisuuden sovelluksia.
Rahoitusinstrumentit vauhdittavat kvanttiantureiden kehittämistä
EU-komissio ja Yhdysvallat ovat tunnistaneet kvanttianturit yhdeksi keskeisistä teknologioista, jotka vauhdittavat innovaatiota ja mullistavat mittaus- ja anturointiteknologioita. Siksi kvanttianturiteknologioiden kehittämiseen on tarjolla laaja joukko rahoitusinstrumentteja.
"Tällä hetkellä kvanttianturikehitysprojektien rahoittamiseen löytyy paljon kiinnostusta. Puolustusteollisuus on erityisen kiinnostunut siitä, mitä kvanttiteknologia voisi teollisuudenalalle tarjota. Yhdysvaltain puolustusministeriön alaiset organisaatiot, kuten laivaston tutkimusvirasto (Office of Naval Research) ja asevoimien tutkimusorganisaatio (DARPA) ovat julkisesti kertoneet etsivänsä jatkuvasti yhteistyökumppaneita kvanttianturoinnin edistämiseksi. Myös Euroopassa pyritään varmistamaan teknologinen edelläkävijän asema ja omavaraisuus kvanttiantureihin liittyen. Esimerkiksi Euroopan puolustusvirasto rahoittaa aiheeseen liittyviä kehitysprojekteja. Lisäksi Euroopan avaruusjärjestö (ESA) ja Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinto (NASA) rahoittavat kvanttiantureita koskevaa tutkimusta", Ikonen luettelee.
Hän jatkaa: "Riippumattomana tutkimuslaitoksena VTT:llä on hyvät mahdollisuudet hakea rahoitusta. Meillä on esimerkiksi paljon kokemusta vaativista avaruushankkeista ESAn ja NASAn kanssa. VTT tavoittelee myös uusia yhteistyömahdollisuuksia esimerkiksi Yhdysvaltain puolustusministeriön ohjelmissa sekä Euroopan puolustusrahaston (EDF) ja muiden eurooppalaisten tai kansallisten ohjelmien puitteissa."
VTT kvanttiantureiden kehityksen kärjessä
Julkisen mandaattinsa myötä VTT on sitoutunut edistämään tutkimuksen ja teknologian hyödyntämistä ja kaupallistamista siten, että se hyödyttää sekä taloutta että yhteiskuntaa.
"Halusin työskennellä VTT:llä, koska täällä pyritään aidosti edistämään yhteistä hyvää. Pyrimme osaltamme luomaan vakaampaa yhteiskuntaa ja vihreämpää ympäristöä edistämällä teknologian ja tieteen laajaa hyödyntämistä yhteiskunnassa", Ikonen kertoo.
Valtion omistama laitos tutkii ja kehittää lukuisia kvanttiantureihin liittyviä ja niihin soveltuvia teknologioita. VTT kehittää erilaisiin teknologioihin pohjautuvia varsinaisia kvanttianturielementtejä, esimerkiksi suprajohtavia kvanttiantureita. Tämän lisäksi VTT kehittää mm. lasereita ja muita kvanttitilojen hallinnan mahdollistavia teknologioita.
VTT:llä on Espoossa Pohjoismaiden suurin puhdastila, ja lisäksi se on aloittanut uuden huipputason mikroelektroniikan ja kvanttiteknologian pilotointi- ja kehityslaitoksen rakentamisen, toteaa Tauno Vähä-Heikkilä, VTT:n mikroelektroniikan ja kvanttiteknologioiden tutkimusalueen johtaja.
"Puhdastilassamme on käytössä useita edistyneitä prosessialustoja, jotka soveltuvat erityisen hyvin kvanttiantureiden kehittämiseen.
Ikonen jatkaa: "Meillä on huippuosaajia useilta poikkitieteellisiltä aloilta – heitä kaikkia tarvitaan maailmanluokan kvanttianturijärjestelmien suunnitteluun. Kvanttifyysikoiden lisäksi kvanttianturikehityksen parissa työskentelee esimerkiksi metrologian, mikroelektroniikan, antenni- ja radiotaajuustekniikan sekä nanoteknologian asiantuntijoita. He ymmärtävät sovellusten asettamat vaatimukset antureille, osaavat yhdistää erilaisia prosessialustoja ja tuovat mukanaan tiimien rajat ylittävää tietoa ja taitoa."
Ikosen mukaan tämä on se tekijä, joka edistää innovointia enemmän kuin mikään muu.
"Aina kun innostus tarttuu ja huippuasiantuntijat kohtaavat, syntyy jotain uutta ja hienoa."
VTT:N KVANTTIMITTAUSRATKAISUT
Yhteistyömuodot
Tarjoamme ainutlaatuisia ja räätälöityjä kvanttimittaukseen liittyviä tutkimuspalveluja. Näihin palveluihin kuuluvat kattavat T&K-projektit, suunnittelu-, valmistus- ja mittauspalvelut, prototyyppien rakentaminen sekä valmistus pienistä keskikokoisiin tuotantomääriin.
Kvanttianturielementit
Työskentelemme erilaisten suprajohtavien kvanttianturielementtien parissa. Esimerkkejä anturielementeistä ovat SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), SNSPD (Superconducting Nanowire Single-Photon Detector) ja TES (Transition Edge Sensor). Näitä anturielementtejä voidaan käyttää esimerkiksi erittäin herkkinä magnetometreinä sekä erittäin vähäkohinaisina vahvistimina. Lisäksi niitä voidaan käyttää fotonilaskureina.
Integroidut optiset piirit
Kehitämme pii (SOI)- ja piinitridi (SiN) -pohjaisia valokanava-aaltoputkia mahdollistamaan optisten komponenttien tiheän integroimisen piisirulle. Kehitämme myös tapoja integroida suprajohtavia anturielementtejä integroituihin optisiin piireihin. Integroitujen optisten piirialustojen avulla on mahdollista miniatyrisoida useita anturijärjestelmiä sekä parantaa niiden käytettävyyttä ja tehostaa niiden suorituskykyä.
Atomikellot ja kvanttianturien optinen ohjaus
VTT MIKES, Suomen kansallinen metrologialaitos, ylläpitää Suomen virallista aikaa ja koordinoidun yleisajan realisointia UTC(MIKE) atomikellojen avulla. Tutkimme jatkuvasti atomikellojen miniatyrisointimahdollisuuksia siten, että niiden tarkkuus säilyy mahdollisimman hyvänä. Kehitämme kompakteja, stabiloituja laserjärjestelmiä sekä niiden integroimista integroituihin optisiin piirialustoihin. Tällaiset uudet laserjärjestelmät voisivat mahdollistaa optisesti pumpattujen magnetometrien (OPM), Rydbergin atomiin perustuvien anturijärjestelmien ja kvantti-inertiamittausyksiköiden (IMU) miniatyrisoinnin sekä niiden käytettävyyden parantamisen.
Kryogeenisiin lämpötiloihin optimoidut elektroniikkakomponentit
Kehitämme erittäin matalan kohinan kryogeenisia vahvistimia, jotka sopivat erinomaisesti heikkojen kvanttianturien mittaamien signaalien vahvistamiseen laajalla taajuusalueella. Esimerkkejä vahvistimissa käytettävistä puolijohdemateriaaleista ja -alustoista ovat SiGe (Silicon-Germanium), InP (Indium-Phosphide) sekä FD-SOI (Fully-Depleted Silicon-On-Insulator).
