Mittausten simulointi tuo uusia näkökulmia kvanttiteorian perusteiden tutkimukseen (Väitös: FM Leevi Leppäjärvi, 17.6.2021, teoreettinen fysiikka)
Kvanttifysiikan teoreettisiin mahdollisuuksiin ja mahdottomuuksiin keskittyvä kvanttiteorian perusteiden tutkimus pyrkii selittämään kvanttifysiikan oudoimpia havaintoja ja ilmiöitä. Turun yliopistoon tekemässään väitöskirjassa FM Leevi Leppäjärvi tuo esille uusia tekniikoita selittämään näitä ilmiöitä kvanttimittausten osalta.
Leppäjärvi tarkastelee kvanttiteoriaa yleisempien operationaalisten teorioiden viitekehyksestä, jossa kvanttiteoria nähdään osana muiden mahdollisten fysikaalisten teorioiden joukkoa. Väitöstyössä tutkitaan erityisesti mittausten simulointia toisten mittausten avulla sekä yhdistetään se olemassa oleviin käsitteisiin ja sovelluksiin, kuten yhteismittauksiin.
Analysoimalla mittausten simulointia kvanttiteoriassa ja useissa muissa (operationaalisen) viitekehyksen alaisissa teorioissa Leppäjärven väitöstyö pystyy erottamaan kvanttiteorian luonteenomaista fysikaalista rakennetta muista mahdollisista teorioista.
– Kvanttiteorian matemaattinen kehys on selkeä ja yleisesti syvälle tutkittua. Kuitenkaan tähän matemaattiseen rakenteeseen johtavista fysikaalisista periaatteista ei olla täysin selvillä. Näin ollen fysikaalista intuitiota kvanttifysiikan lakeihin on vaikea muodostaa, Leppäjärvi kertoo.
Viime aikoina alan tutkimusta on tehty erityisesti informaatioteoreettisesta näkökulmasta kvantti-informaation ja kvanttiteknologioiden ajankohtaisuuden myötä. Tällöin mittaukset voidaan nähdä luonnollisena osana erilaisia kommunikaatiotehtäviä ja informaation välittämistä kun informaatiota kantavien fysikaalisten systeemien (esimerkiksi klassisen bitin tai vastaavan kvanttiversion, kubitin) ominaisuuksia mittaamalla välitettyä informaatiota tulkitaan ja käsitellään esimerkiksi (kvantti)tietokoneissa.
Kvanttimittaukset eivät salli vapaan informaation olemassaoloa
Yksi kvanttimittauksien tunnetuimmista oudoista ilmiöistä on mahdottomuus mitata tiettyjä fysikaalisia suureita samanaikaisesti, jolloin kyseiset suureet eivät ole yhteismitattavia, tai toisin sanoen, niiden mittausta ei voida simuloida yhdellä samalla mittauksella. Leppäjärven mukaan kuuluisin esimerkki on Heisenbergin epätarkkuusperiaatteeseen perustuva havainto, jonka mukaan kvanttifysiikan lakien alaisen hiukkasen paikkaa ja liikemäärää ei voida mitata tarkasti samanaikaisesti.
Lisäksi kvanttiteorian mukaan kaikkien fysikaalisesti hyödyllisten suureiden kanssa yhteismitattava suure täytyy olla hyödytön systeemin ominaisuuksia valottavien ominaisuuksien kannalta. Näin ollen tämän suureen yhteismittaus minkä tahansa muun suureen kanssa ei anna hyödyllistä vapaata informaatiota tutkittavasta systeemistä. Näin ei kuitenkaan lähtökohtaisesti tarvitse olla yleisempien teorioiden viitekehyksessä.
– Väitöstutkimuksessani pystyin osoittamaan, että on olemassa yleisempiä mahdollisia teorioita, joissa tällaista hyödyllistä vapaata informaatiota esiintyy ja että näissä teorioissa sitä voitaisiin jopa mitata. Vähintäänkin tällaisen vapaan informaation kieltäminen mahdollisista muista teorioista karsii pois epäfysikaalisia teorioita, jotka eivät varmasti kuvaa tuntemiamme kvanttifysiikan lakeja. Kvanttiteorian kannalta tämä kertoo siitä, että vapaan informaation mahdottomuus voi olla yksi kvanttiteoriaa karakterisoivista piirteistä, Leppäjärvi tiivistää.
Leppäjärvi tutki myös mittausten mahdollisia rajoitteita, jotka voivat johtua esimerkiksi tutkittavan systeemin tehokkaan mittauksen estävistä käytännön teknillisistä tai teknologisista rajoituksista.
– Vaikka tietyssä kokeessa haluttu mittaus voi olla käytännössä mahdoton toteuttaa, voi joissain tapauksissa olla mahdollista simuloida haluttua mittausta muilla, toteutettavissa olevilla mittauksilla. Tutkimuksessani selvitän mahdollisten rajoitusten luonnetta sekä tuon esille mittauksia, jotka erityisesti sopivat muiden mittausten simuloimiseen, Leppäjärvi toteaa.
***
FM Leevi Leppäjärvi esittää väitöskirjansa ”Measurement simulability and incompatibility in quantum theory and other operational theories” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa torstaina 17.6.2021 klo 12.00.
Väitöstilaisuutta voi seurata etänä
Vastaväittäjänä toimii professori Antonio Acín (The Barcelona Institute of Science and Technology, Espanja) ja kustoksena professori Kalle-Antti Suominen (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on teoreettinen fysiikka.
Turun yliopisto seuraa aktiivisesti koronavirustilannetta ja viranomaisten ohjeita. Yliopisto päivittää ohjeitaan tilanteen mukaan. Ohjeet ja linkit löytyvät osoitteesta: utu.fi/koronavirus
Väittelijän yhteystiedot: leevi.leppajarvi@gmail.com, p 0405916515
