Muoti-ilmiöt I: korkean lämpötilan suprajohtavuus ja kvanttilaskenta

Korkean lämpötilan suprajohteet havaittiin vuonna 1986. Ensimmäisten kriittinen lämpötila taisi olla niinkin "korkea" kuin 39 K eli -244 Celsius-astetta, mutta pian materiaalikehityksen avulla tätä saatiin nostettua esimerkiksi typen kiehumislämpötilan 77 K yläpuolelle. Jo tällä oli valtava teknologinen merkitys, mutta moni tutkija haaveili (ja haaveilee yhä) huoneen lämpötilassa toimivista suprajohteista. Ongelmana oli kuitenkin se, ettei suprajohtavuuden "syytä" näissä rakenteissa ymmärretty. Asiaan panostettiin runsaasti, ja 1990-luvun alussa suuri osa tiiviin aineen teoreetikoista suuntautui korkean lämpötilan suprajohteiden mekanismin etsimiseen. Löydöstä olisi seurannut varma Nobelin palkinto. Itse asiassa teorioita tulikin useita. Niiden ennustusvoima oli kuitenkin melko heikko eikä yhtä hetkellistä hyppäystä teoriankehityksessä ole tullut. Tuon panostuksen vuoksi ilmiötä ymmärretään kuitenkin jo kohtalaisesti: tiedetään, että korkean lämpötilan suprajohteiden pariutumissymmetria on nk. d-aaltosymmetria perinteisen s-aaltosymmetrian sijaan, faasidiagrammi tunnetaan melko hyvin ja monta uutta hyödyllistä konseptia on löytynyt. Muoti-ilmiönä ala on kuitenkin selkeästi hiipunut 1990-luvun lopun jälkeen kahdesta syystä: suprajohtavuuden mekanismia ei ole vieläkään kunnolla ymmärretty, ja kyseisten materiaalien valmistajat havaitsivat pian, että niiden prosessointi on aika hankalaa. Suuren luokan sovellusta ei korkean lämpötilan suprajohteista ole siis vielä tullut.

Seuraava muotiaihe alkoi samaan aikaan korkean lämpötilan suprajohtavuuden hiipuessa: 1990-luvun lopulla kokeilijat huomasivat, että tiiviin aineen fysiikan menetelmin voidaan tehdä kvanttitietokoneen realisaatioita. Omalla alallani buumi alkoi kun vuonna 1999 japanilainen tutkimusryhmä osoitti, että pienien suprajohtavien saarekkeiden avulla voidaan toteuttaa kvanttimekaanisesti toimiva "bitti", kubitti. Olennaista oli näyttää, että tuo kubitti oli koherentti tarpeeksi pitkään jotta sitä pystyttäisiin manipuloimaan (ts., sille voidaan tehdä laskuoperaatioita). Juuri tässä japanilainen tutkimusryhmä onnistui hyvin. Äkkiä uusia erityyppisiä kubittirealisaatioita ilmaantui alan preprint-arkistoon kuin sieniä sateella. Yksi ehdotti suprajohtavan järjestysparametrin vaiheen käyttämistä kvanttimuuttujana japanilaisten käyttämän varauksen sijaan, toinen taas ehdotti puolijohdekvanttipisteitä, kolmas elektroneja heliumin pinnalla, ja niin edespäin. Myös kokeilijat innostuivat. Tosin kesti kolme vuotta ennen kuin japanilaisten koe pystyttiin toistamaan muualla maailmassa, mutta tämän jälkeen se onnistui useissa tutkimuslaboratoriossa, myös Suomessa Kylmälaboratoriossa.

Pian kuitenkin havaittiin että tiiviin aineen kvanttibiteillä on yksi iso ongelma: niiden ympäristöä on mahdotonta kontrolloida täysin tarkkaan. Tästä syystä ympäristössä tapahtuvat häiriöt rajoittavat kubittien koherenssia, ja parhaimmassakin tapauksessa koherenssi kuolee noin mikrosekunnissa. Tästä ei ole muutamaan vuoteen juuri päästy eteenpäin. Näin lyhyt koherenssiaika ei luultavasti kuitenkaan ole suurin ongelma: operaatioita mikrosekunnissakin ehtii tehdä ainakin useita tuhansia, niitä kun tehdään pulsseilla joiden kesto voi olla sadan pikosekunnin luokkaa. Toinen ongelma on skaalautuvuus, joka aluksi koettiin tiiviin aineen realisaatioiden suurimmaksi eduksi: tähän mennessä suprajohtavissa kubiteissa on päästy kolmen kubitin "tietokoneeseen" - ja näissä tapauksessa kaikkia kubitteja ohjaa useita ulkoa ohjattavia jännitteitä tai virtoja. Ja jokaista ohjattavaa suuretta varten tarvitaan oma ohjauspiiri, mikä tekee jo kolmen bitin kontrolloimisen erittäin vaikeaksi. Todennäköisesti tosin pian tuotekehitys siirtyy pois fyysikoilta enemmän insinöörien tehtäväksi. Näin kävi esim. spintroniikassa (josta enemmän alla), jossa 1989-luvulla löydetty GMR-ilmiö siirtyi IBM:n kovalevyihin vajaassa kymmenessä vuodessa.

Vaikka kvanttilaskenta saattaa muotialana olla jo hiipumaan päin, sitä tutkitaan edelleen runsaasti ja paljon mielenkiintoista (muutakin kuin kvanttitietokoneen rakentaminen) on odotettavissa. Esimerkiksi kvanttimekaanisia ilmiöitä voi periaatteessa simuloida tehokkaasti pienelläkin määrällä kubitteja. Toinen selkeä hyöty kvanttilaskennasta on usean fysiikan alan yhdistäminen samankaltaisten ilmiöiden piiriin: Rabi-oskillaatiot, spin-kaiut ja muut kun tunnetaan nykyään NMR-fysiikassa, suprajohtavien rakenteiden tutkimuksessa, atomioptiikassa ja monella muulla fysiikan alalla.