Kvanttimelun hallintaan entistä tarkempia menetelmiä ja uudenlaisia tapoja melun hyödyntämiseen (Väitös: FM Henri Lyyra, 5.10.2019, teoreettinen fysiikka)
Uuden sukupolven kvanttiteknologiat, kuten kvanttitietokoneet, -simulaattorit, ja -salausmenetelmät ovat erittäin herkkiä ympäristöstä aiheutuvan kvanttimelun haitallisille vaikutuksille. Turun yliopistoon tekemässään teoreettisen fysiikan alan väitöskirjassa Henri Lyyra kehitti uusia keinoja kvanttimelun hallintaan, minimointiin ja hyödyntämiseen.
Uusissa kvanttiteknologioissa informaatio koodataan kvanttisysteemeihin. Yleisesti kvanttisysteeminä käytetään klassisen bitin kvanttiversiota kubittia, eli kvanttibittiä. Kun kubitti joutuu vuorovaikutukseen ympäristön kanssa, siihen kohdistuu kvanttimelua. Melun vaikutuksesta kubitti menettää osan informaatiosta, mikä on haitallista teknologisissa sovelluksissa.
Henri Lyyra kehitti tuoreessa väitöstutkimuksessaan menetelmän, jolla kubittina toimivaan fotoniin koodatun informaation määrää saadaan hallittua mielivaltaisesti.
– Menetelmällämme informaation määrän saa ajan kuluessa hallitusti vähenemään – ja kasvamaan – aivan kuten haluaa. Samalla tutkimus lisää ymmärrystämme siitä, minkälaisia meluja on käytännössä mahdollista aiheuttaa, Lyyra kertoo.
Tutkimuksessa kävi ilmi, että melun hallinnan lisäksi myös pelkällä oikein valitun melun lisäämisellä oli hyödyllisiä vaikutuksia. Kun meluisassa superdense coding -protokollassa kubitit altistettiin lisämelulle vielä informaation koodaamisen jälkeen, protokollan lähetystehokkuus parani jopa 50 prosenttia.
Kvanttimelua voidaan hyödyntää uudenlaisissa mittausmenetelmissä
Aiheuttamiensa haittojen lisäksi kvanttimelua voidaankin hyödyntää niin sanotuissa kvanttiluotausmenetelmissä.
– Kun kaksi kvanttisysteemiä vuorovaikuttavat keskenään, ne kohdistavat toisiinsa melua. Jos tarkastellaan sitä, miten melu vaikuttaa yhteen systeemiin, voidaan päätellä jotain myös toisen systeemin ominaisuuksista. Näin voidaan välttää tekemästä mielenkiinnon kohteena olevalle systeemille suoria mittauksia, jotka saattaisivat tuhota sen kokonaan, Lyyra kertoo.
Lyyra kehitti väitöstutkimuksessaan myös uudenlaisen toteutustavan kvanttiluotaamiseen.
– Aiemmin käytetyissä kvanttiluotausmenetelmissä systeemien välinen vuorovaikutus on pitänyt tuntea hyvin tarkkaan. Tyypillisesti menetelmät ovat tapauskohtaisia eli yhteen tarkoitukseen kehitettyä menetelmää ei voi käyttää toiseen. Kehittämällämme matemaattisella työkalulla voidaan tuottaa eri tarkoituksiin luotausmenetelmiä, jotka toimivat, vaikka vuorovaikutus olisi täysin tuntematon, Lyyra toteaa.
Väitöstutkimuksen teoreettisia tuloksia toteutettiin myös kokeellisesti yhteistyössä Turun yliopiston ja kiinalaisen University of Science and Technology of Chinan kvanttioptiikan ryhmien kanssa.
***
FM Henri Lyyra esittää väitöskirjansa ”Controlling Dynamics of Open Quantum Systems” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa lauantaina 5.10.2019 klo 12.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).
Vastaväittäjänä toimii professori Lorenzo Maccone (Università degli studi di Pavia, Italia) ja kustoksena professori Sabrina Maniscalco (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on teoreettinen fysiikka.
Väittelijän yhteystiedot: hesaly@utu.fi
Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/lyyra_henri.jpg (Kuvaaja: Sina Hamedani Raja)
Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-7763-5
