VTT:n koordinoimassa EU-hankkeessa kehitetään sähkövirran tarkinta mittalaitetta, kvanttinormaalia, joka sopisi yhteen jännitteen kvanttinormaalin kanssa. Yhteensopivina ne voitaisiin sijoittaa samalle piisirulle helppokäyttöiseksi laitteeksi, joka mittaisi kaikki sähkösuureet ennätystarkasti ja jota voitaisiin hyödyntää myös esimerkiksi massan ja lämpötilan mittauksissa. Ratkaisua haetaan suprajohtavista nanolangoista.
Kaikki SI-järjestelmän mittayksiköt ovat perustuneet viime vuodesta alkaen luonnonvakioihin. Tämä mahdollistaa erittäin tarkat mittaukset kansallisissa metrologialaitoksissa mutta edelleen vain harvoin niiden ulkopuolella. Esimerkiksi kilogramman yli satavuotiaasta mallikappaleesta on luovuttu, mutta uutta määritelmää toteuttava vaaka edellyttää erittäin vakaita olosuhteita ja asiantuntijoiden työpanosta. Sekuntia puolestaan toteuttaa atomikello, ja siitä on jo lukuisia itsenäisesti toimivia, erittäin tarkkoja versioita. GPS-satelliiteissa atomikellot mahdollistavat kännykän käyttäjien sijainti- ja karttapalvelut.
"Jos sähkösuureita voitaisiin mitata sekuntien tapaan erittäin tarkasti ja helposti, sellainen menetelmä voisi osoittautua hyvinkin hyödylliseksi esimerkiksi kvanttitietokoneiden, kvanttikommunikaation ja muun kvanttiteknologian kehityksessä. Sähkö toimii apurina myös monien muiden suureiden, kuten massan ja lämpötilan mittauksessa, joten tarkalle ja helpolle mittausmenetelmälle olisi runsaasti sovelluskohteita. Menetelmää ei vielä ole, mutta pyrimme sellaista kohti nelivuotisessa Quantum e-leaps -hankkeessa", sanoo hanketta koordinoiva kvanttiteknologian erikoistutkija Antti Kemppinen VTT:ltä.
Sähkövirran yksikkö ampeeri on yksi SI-järjestelmän perusyksiköistä, ja sen arvo on sidottu alkeisvaraukseen, joka on muuttumaton luonnonvakio. Koska ampeeria on kuitenkin vaikea toteuttaa, on tavallista määrittää se jännitteen ja resistanssin avulla. Jännitteelle ja resistanssille on jo käytössä erittäin tarkat kvanttinormaalit eli kvanttimekaaniset mittalaitteet, mutta ne eivät sovi keskenään samaan mittalaitteeseen saatikka sitten samalle piisirulle. Resistanssinormaali vaatii suuren magneettikentän, joka taas estää jännitenormaalin toiminnan.
Quantum e-leaps -hankkeessa yritetään kehittää ratkaisuksi sähkövirran kvanttinormaalia, joka voitaisiin sovittaa yhteen jännitenormaalin kanssa, ja yhdessä nämä muodostaisivat sähkösuureiden universaalin kvanttinormaalin.
Eurooppalaiset kvanttiteknologian huippututkijat yhteistyössä
Sähkövirran kvanttinormaali edellyttää kvantittunutta sähkövirtaa, ja sitä on pystytty tuottamaan pumppaamalla yksittäisiä elektroneja, mutta tällaiset mikroskooppiset kvantti-ilmiöt ovat epäluotettavia ja hankalia. Toinen vaihtoehto olisi hyödyntää suprajohteiden makroskooppisia kvantti-ilmiöitä, joita käytetään jo sujuvasti ja äärimmäisen tarkasti jännitteen kvanttinormaalissa. Vastaavaa sähkövirran kvanttinormaalia tavoitellaan Quantum e-leaps -hankkeessa suprajohtavien nanolankojen avulla.
Teoriassa tiedetään, että magneettivuon tunneloituminen suprajohtavan nanolangan läpi saa aikaan niin sanottuja koherentteja kvanttivaihehyppyjä, joiden ansiosta sähkövirta voi kvantittua. Käytännössä tätä ei ole kuitenkaan saatu aikaan. Quantum e-leaps on ensimmäinen tutkimushanke, jossa siihen tähdätään laajan eurooppalaisen yhteistyön voimin.
"Meillä on monialainen, kansainvälinen konsortio, johon kukin tutkimusryhmä tuo oman huipputason osaamisensa. VTT:llä on pitkät perinteet tehdä käytännön sovelluksissa toimivaa kvanttiteknologiaa yliopistojen perustutkimukseen nojaten. VTT kehittää hankkeessa myös suprajohtavaa ohutkalvoteknologiaa, kun taas tutkimuskumppanit tuovat hankkeeseen muun muassa upouusia kaksiulotteisia suprajohteita, kuten monikerrosgrafeenin sekä niobiumdiselenidin", Kemppinen kertoo.
Quantum e-leaps -projekti on osa EU:n FET-Open-tutkimusohjelmaa, joka rahoittaa kunnianhimoisia, poikkitieteellisiä ja suuren riskin tutkimushankkeita. VTT:n lisäksi hankkeeseen osallistuvat Aalto-yliopisto, ETH Zürich -yliopisto Sveitsistä, Leibniz-IPHT Jena ja Regensburgin yliopisto Saksasta, sekä National Physical Laboratory ja Royal Holloway University of London Englannista.
Tutkimushankkeen omaan tiedotteeseen voit tutustua täältä.
