Mittausteoriasta ratkaisuja kvanttimekaniikan ongelmiin (Väitös: FM Mikko Tukiainen 25.11.2017, teoreettinen fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 20.11.2017

Kvanttimekaniikka kuvaa tapahtumia atomeja pienemmässä mittakaavassa. Pienten osasten maailmassa tavalliset fysiikan lait muuttuvat usein arkipäiväisen kokemuksemme vastaisiksi. Kappaleilla voi olla tilanteesta riippuen joko aalloille tai hiukkasille tyypillisiä piirteitä, niiden paikkaa ja liikemäärää ei voida samanaikaisesti tarkasti määrittää ja ne voivat jopa tunkeutua esteiden läpi.

Tukiaisen väitöstutkimus keskittyy kvanttimekaniikan mittausteoriaan. Kvanttimekaniikka mahdollistaa Tukiaisen mukaan tähän mennessä tarkimmat mittaukset meitä ympäröivästä todellisuudesta.

– Esimerkiksi elektronin magneettisten kvanttiominaisuuksien mittaustulokset poikkeavat teoreettisista ennustuksista vain muutamien triljoonasosien verran. Tämä vastaa tarkkuudeltaan sitä, että painovoimateoria pystyisi ennustamaan maapallon ja kuun välisen etäisyyden hiuksen paksuutta pienemmällä virhemarginaalilla, Tukiainen kuvaa.

Uusi lähestymistapa kvanttipiirien tutkimiseen

Kvanttisysteemien arkijärkeä koettelevien ominaisuuksien ansiosta kvanttimekaniikan mahdollistamat tulevaisuuden teknologiat ovat mullistavia. Näihin lukeutuvat Tukiaisen mukaan esimerkiksi kvanttiteleportaatio, täysin purkamattomat kvanttisalaukset sekä äärimmäisen nopeaan laskentaan kykenevät kvanttitietokoneet.

– Tutkimukseni käsittelee kvanttimittalaitteiden realisointia, minimaalista kokoa sekä symmetrioiden aiheuttamia rajoituksia kvanttiominaisuuksien mitattavuudelle. Mittausprosessien tutkimus valottaa myös muita kvanttimekaniikan osa-alueita. Mittausteoria mahdollistaa esimerkiksi tehokkaan lähestymistavan tutkia ohjelmoitavia kvanttipiirejä, joista muun muassa kvanttitietokoneet voivat tulevaisuudessa rakentua, Tukiainen kertoo.

Kvanttipiirit eroavat klassisista ohjelmoitavista piireistä, joista arkipäiväinen esimerkki on tavallinen tietokone. Riittävien muistiresurssien avulla tällaiset tietokoneet voidaan periaatteessa ohjelmoida suorittamaan mitä tahansa klassista laskualgoritmia, joskin algoritmin suorittamiseen voi mennä äärimmäisen pitkä aika. Ne ovat tässä mielessä universaaleja.

– Kvanttipiiriä ei sen sijaan ole mahdollista ohjelmoida tekemään virheettömästi kaikkia mahdollisia kvanttimuunnoksia sille syötettyyn kvanttidataan. Tästä syystä ainakaan kiinteisiin kvanttipiireihin perustuvia kvanttitietokoneita ei pystytä ohjelmoimaan suorittamaan täydellisesti kaikkia kvanttialgoritmeja, Tukiainen täsmentää.

Kiinteään piiriin perustuva kvanttitietokone voi kuitenkin olla universaali, jos sen sallitaan tehdä virheitä.

– Mittausteoriasta löytyy vastaukset tällaisen kvanttipiirin optimaaliseen ohjelmointitapaan, pienimpään mahdolliseen kokoon sekä erilaisista symmetrioista aiheutuviin rajoituksiin, Tukiainen sanoo.

***

FM Mikko Tukiainen esittää väitöskirjansa Implementability of observables, channels and instruments in quantum theory of measurement julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa lauantaina 25.11.2017 kello 12.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Matteo Paris (Università degli Studi di Milano, Italia) ja kustoksena professori Sabrina Maniscalco (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.

FM Mikko Tukiainen on syntynyt vuonna 1987 ja kirjoittanut ylioppilaaksi Lieksan lukiossa vuonna 2006. Tukiainen suoritti korkeakoulututkintonsa (FM) vuonna 2013 Turun yliopistossa. Väitöksen alana on teoreettinen fysiikka. Tukiainen työskentelee Turun yliopistossa tohtorikoulutettavana.

Väittelijän yhteystiedot: p. 0445669012, mjatuk@utu.fi

Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/tukiainen_mikko.jpg

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-7010-0