Uusia työkaluja kvanttisysteemien dynamiikan ymmärtämiseen ja kontrollointiin (Väitös: FM Jaakko Lehto, 2.6.2017, teoreettinen fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 24.5.2017

Jaakko Lehto esitti väitöstutkimuksessaan kvanttimekaanisten kaksitaso- eli kubittimallien ja tavallisten tasokäyrien välisen luonnollisen yhteyden. Tätä yhteyttä ja käyrien geometriaa hyödyntäen hän osoitti, että tietyt kysymykset kvanttisysteemien dynamiikasta, esimerkiksi adiabaattisen rajaan liittyen, ovat helpommin käsiteltävissä tästä uudesta näkökulmasta.

– Tällaisten yksinkertaisten systeemien dynamiikan ymmärtäminen on hyvin perustavanlaatuinen ja toisaalta vanhakin ongelma, mutta samalla myös hyvin ajankohtainen ja avoimia kysymyksiä sisältävä tutkimusaihe, Lehto sanoo.

Varsinkin parin viime vuosikymmenen aikainen teknologinen kehitys on mahdollistanut aineen perustavimpien osasten, kuten atomien ja molekyylien, dynamiikan ennennäkemättömän tarkan kontrollin ja havainnoinnin laboratorioissa. 

– Tyypillisesti tässä käytetään hyväksi vuorovaikutusta sähkömagneettisten kenttien kanssa, esimerkiksi sopivanlaisiksi muokattuja lyhyitä laser-pulsseja, joilla halutut muutokset systeemin tilassa saadaan aikaiseksi. Tämä kehitys on avannut uusia mahdollisuuksia sekä kvanttimekaniikan perusilmiöiden kokeelliseen varmentamiseen että uusien kvanttiteknologioiden, kuten kvanttitietokoneen, syntyyn, Lehto kertoo.

Näiden systeemien teoreettinen käsitteleminen on kuitenkin hankalaa.

– Toisaalta ajasta riippuvat ulkoiset kentät mahdollistavat systeemin tilan tehokkaan ja joustavan kontrollin, toisaalta ne monimutkaistavat niitä kuvaavien matemaattisten mallien ratkaisua merkittävästi. Analyyttisesti ratkeavien mallien määrä onkin hyvin rajallinen. Oleellista tässä on juuri kenttien, ja siten myös systeemiä kuvaavien parametrien, aito aikariippuvuus, Lehto toteaa.

Väitöstutkimuksen yhtenä tärkeänä tavoitteena oli sekä olemassa olevien approksimatiivisten teorioiden että uusien menetelmien kehitys.

– Numeeriset mallinnukset ovat toki aina vaihtoehto, mutta analyyttisten ratkaisujen, likimääräistenkin, löytäminen tarjoaa usein selkeämmän kokonaiskuvan asiasta ja esimerkiksi yksittäisten tekijöiden, kuten parametrien muuttamisen, vaikutuksesta dynamiikkaan, Lehto huomauttaa.

Usein myös yksinkertaiset heuristiset säännöt ovat olleet apuna yritettäessä ymmärtää kvanttisysteemien käyttäytymistä, joskin nekin voivat toisinaan sisältää yllätyksiä.

– Pitkään on tiedetty, että niin kutsutuilla nolla-alan pulsseilla saadaan systeemi palautettua alkutilaansa, eikä mitään viritystä tapahdu. Jokin aika sitten huomattiin, että kun tällaisen pulssin taajuus ei vastaakaan systeemin tilojen välistä resonanssitaajuutta, tarpeeksi voimakas pulssi päinvastoin aiheuttaa täydellisen tilan virittymisen ja tekee sen lisäksi tavalla, joka ei ole kovin herkkä esimerkiksi epätäydellisyyksille koejärjestelyssä, Lehto kertoo.

Väitöskirjatutkimus löysi keinoja tämän ilmiön hyödyntämiseen tavoilla, joilla vastaava viritys saadaan aikaan paljon aiempaa heikommilla kentillä. Lisäksi väittelijä löysi näiden systeemien käytöksestä tiettyjä yleispäteviä ominaisuuksia.

***

FM Jaakko Lehto esittää väitöskirjansa Time-dependent Quantum Systems julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 2.6.2017 klo 12 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).

Vastaväittäjänä toimii Dr. Jonas Larson (Stockholms Universitet, Ruotsi) ja kustoksena professori Kalle-Antti Suominen (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.

FM Jaakko Lehto on syntynyt vuonna 1983 ja kirjoittanut ylioppilaaksi Kosken lukiossa 2002. Lehto suoritti korkeakoulututkintonsa (FM) Turun yliopistossa vuonna 2009. Väitöksen alana on teoreettinen fysiikka. Lehto työskentelee tohtorikoulutettavana Turun yliopistossa.

Väittelijän yhteystiedot: p. 050 34 222 09, jmsleh(at)utu.fi 

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

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: https://www.doria.fi/handle/10024/134999