Äärimittauksilla tehokkaammin tietoa kvanttimaailmasta (Väitös: FM Erkka Haapasalo, 21.11.2015, teoreettinen fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 12.11.2015

Haapasalo keskittyi väitöstyössään erityisesti kvanttiteorian konveksien rakenteiden ääripisteiden ja niiden merkityksen tutkimiseen. Yksi keskeinen tulos oli, että kaksi yhteensopivaa mittausprosessia voidaan yhdistää oleellisesti yksikäsitteisellä tavalla, jos ainakin toinen niistä on ääripiste. Jos kumpikin näistä prosesseista on ääripiste, niin on myös niitä yhdistävä mittausprosessi.

– Tutkimukseni tuloksia voisi olla mahdollista hyödyntää tulevaisuudessa esimerkiksi kvanttitietokoneessa. Tosin vielä tässä vaiheessa on varhaista sanoa, miten tuloksia voisi tarkalleen käyttää. Suurin osa fysikaalisesti relevanteista mittausprosesseista on tosin ääriprosesseja ja tutkimukseni antaa lisää tietoa juuri näistä merkittävistä äärisuureista, Haapasalo sanoo.

Haapasalo tutki väitöskirjassaan muun muassa mittausprosessiparien yhteensopimattomuuden astetta ja kehitti mitan tämän asteen määrittämiseksi. Hän selvitti myös erilaisia fysikaalisen maailman symmetrioita heijastavien, eli kovarianttien, mittausten luonnetta ja optimaalisuusominaisuuksia. Eräs väitöstyöhön liittyvä merkittävä teema on kvanttiyhteensopimattomuus ja ääriprosessien rooli yhteensopimattomuuteen liittyvissä kysymyksissä.

Kvanttisuuretta käsitellään objektina, joka liittää systeemin alkutilasta riippuen kuhunkin mittaustulokseen, eli suureen mahdolliseen arvoon todennäköisyyden, jolla kyseinen arvo saadaan suureen mittauksessa.  Äärisuure on suure, jossa ei esiinny erilaisten suureiden yhdistelystä johtuvaa hälyä. Kvanttiteorian ääriprosessit voidaankin nähdä muita tarkempina mittauksina, joissa kvanttiteorian tarjoamat kiinnostavat lisäominaisuudet ovat esillä puhtaimpina.

– Jos tekee laboratoriossa mittauksia, kannattaa käyttää äärisuureita, sillä niistä saa enemmän tietoa. Äärisuureet valottavat systeemin eri puolia tehokkaimmin, Haapasalo kertoo.

Klassisessa fysiikassa mittauksia voi vapaasti yhdistellä eikä mittaus muuta tutkittavaa systeemiä. Kvanttiteoriassa on toisin: kaikkia kvanttisuureita ei voi mitata yhdessä ja jos halutaan saada tutkittavasta systeemistä hyödyllistä tietoa, systeemin ominaisuudet auttamatta muuttuvat.

– Tämä on seurausta yhteensopimattomuudesta; kaikkia kvanttiteorian mittausprosesseja ei voi suorittaa samanaikaisesti. Toisaalta, jos tiedetään, että esimerkiksi kaksi kvanttisuuretta ovat yhteensopivia, on olemassa tyypillisesti äärettömän monta tapaa mitata nämä suureet yhdessä. Tutkimukseni toisaalta näyttää, että esimerkiksi äärisuureen voi mitata toisen suureen kanssa samanaikaisesti enintään yhdellä tavalla, Haapasalo kertoo.

***

Lauantaina 21. marraskuuta 2015 kello 12.00 esitetään Turun yliopistossa (Quantum, Quantumin auditorio) julkisesti tarkastettavaksi filosofian maisteri Erkka Haapasalon väitöskirja Extreme Observables and Optimal Measurements in Quantum Theory (Äärisuureet ja optimaaliset mittaukset kvanttiteoriassa). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori David Pérez-García (Universidad Complutense de Madrid, Espanja) ja kustoksena professori Sabrina Maniscalco Turun yliopistosta.

FM Erkka Haapasalo on syntynyt vuonna 1986 ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2005 Turun Klassikon lukiosta. Filosofian maisterin tutkinnon Haapasalo suoritti 2010 Turun yliopistossa. Väitös kuuluu teoreettisen fysiikan alaan.