Muisti auttaa kvanttihiukkasia selviytymään meluisassa ympäristössä (Väitös: FM Elsi-Mari Laine, 13.9.2013)
FM Elsi-Mari Laineen väitöstutkimuksessa kehitetty muistiefektien karakterisointi auttaa ymmärtämään, miten kvanttimelua voidaan manipuloida palauttamaan hiukkasen kadonneet kvanttiominaisuudet. Tutkimustulos antaa toiveita kvantti-informaation sovelluksien kehittämiseen.
Turun yliopiston tiedote 6.9.2013
Kvanttihiukkaset noudattavat lainalaisuuksia, jotka vaikuttavat arkilogiikkamme vastaisilta. Niiden erikoiset ominaisuudet, kuten superpositiotilat, kuitenkin katoavat herkästi altistuessaan ympäristön aiheuttamalle melulle. Kaikenlainen melu ei välttämättä aina ole tuhoisaa, sillä kerran kadonneet kvanttiominaisuudet voidaan palauttaa muistiefektien avulla.
Väitöskirjatutkimuksessaan FM Elsi-Mari Laine selvitti, miten muistiefektit ilmenevät kvanttihiukkasen dynamiikassa.
– Jos radiosi antenni on rikki, kansanradion sijaan kuulet vain satunnaista kohinaa, melua. Jos lähetyksen signaali on heikko, tämä melu sekoittuu kuuntelemasi radio-ohjelman kanssa ja puheesta tulee vaikeasti kuunneltavaa. Melun takia monet sanat kuulostavat samalta etkä pysty erottamaan onko puheenaiheena kuntauudistus vai uuninpuhdistus, Laine sanoo.
Tämä informaation väheneminen on universaali melun ominaisuus, jota Laine käytti tutkimuksessaan kvanttimelun muistiominaisuuksien karakterisoimiseen.
Hiukkasen muisti palautuu melun rakennetta muokkaamalla
Kvanttihiukkaset vuorovaikuttavat ympäröivän maailman kanssa, joka aiheuttaa melua hiukkasen kantamaan kvanttitilaan. Jos melu on täysin muistitonta, tällöin pitkäaikaisempi vuorovaikutus kasvattaa hiukkasen kokeman melun määrää. Tällainen muistiton melu saa nopeasti hyvinkin erilaiset kvanttitilat näyttämään samankaltaisilta.
Mitä vaikeampaa kvanttitiloja on erottaa toisistaan, sitä vähemmän pystymme saamaan informaatiota hiukkasta mittaamalla.
– Melun myötä kadotettu informaatio on kuitenkin mahdollista palauttaa systeemiin muistiefektien avulla. Melun rakennetta manipuloimalla osa aiemmin menetetystä informaatiosta voidaan palauttaa takaisin, Laine kertoo.
Paljon kvanttimelua tyhjästä
Hiukkasten kvanttiominaisuudet mahdollistavat monia sovelluksia. Superpositiotilojen ja kvanttikietoutumisen avulla voidaan esimerkiksi kasvattaa tiettyjen laskenta-algoritmien tehokkuutta ja siirtää informaatiota nykyistä tehokkaammin. Hiukkaset altistuvat kuitenkin väistämättä melulle ja siten menettävät hyödylliset kvanttiominaisuutensa.
– Yleensä melun vaikutus voidaan mitätöidä jäähdyttämällä ympäristö lähelle absoluuttista nollapistettä ja siten luomalla tyhjiö hiukkasen ympärille. Kvanttihiukkaset kuitenkin vuorovaikuttavat jopa tyhjiön kanssa ja siksi niiden eristäminen ympäristöstään on mahdotonta, Laine selvittää.
Koska ympäristö on kvanttimaailmassa aina läsnä, eräs nykytutkimuksen haastavimmista tavoitteista onkin kehittää strategioita, joiden avulla melusta voidaan manipuloida vähemmän haitallista. Laineen väitöskirjatutkimus antaa uusia avuja tämän tavoitteen saavuttamiseen.
**
Perjantaina 13. syyskuuta 2013 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Quantumin auditorio, Vesilinnantie 5) julkisesti tarkastettavaksi filosofian maisteri Elsi-Mari Elina Laineen väitöskirja ”Memory effects in the dynamics of open quantum systems” (Muistiefektit avointen kvanttisysteemien dynamiikassa). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Matteo Paris Milanon yliopistosta Italiasta ja kustoksena professori Kalle-Antti Suominen.
FM Elsi-Mari Laine on syntynyt 1985 Lahdessa. Hän on kirjoittanut ylioppilaaksi vuonna 2004 Lahden yhteiskoulusta ja valmistunut filosofian maisteriksi 2009 Turun yliopistosta, jossa hän parhaillaan toimii tohtorikoulutettavana. Väitös kuuluu fysiikan alaan.