Tutkija löysi uusi keinoja tutkia avointen systeemien muistia (Väitös, FM Kimmo Luoma, 10.1.2015, teoreettinen fysiikka)

05.01.2015
Väitös

Filosofian maisteri Kimmo Luoma tutki Turun yliopistoon tekemässään väitöstutkimuksessaan menetelmiä joilla voidaan kuvata muisti-ilmiöiden vaikutuksia avointen systeemien dynamiikkaan. Erityisesti hän on tutkinut sitä, miten muisti-ilmiöitä voidaan simuloida käyttämällä stokastisia, satunnaisia, prosesseja.

 

​Turun yliopiston tiedote 5.1.2015
 
Luoma tutki väitöstutkimuksessaan muistiefektien vaikutusta sekä kvantti että klassisten systeemien dynamiikkaan. Lisäksi hän kehitti menetelmiä dynamiikan ratkaisemiseksi avointen systeemien dynamiikan ratkaisemiseksi.
 
Luoma kertoo lähes kaikkien maailmassa esiintyvien systeemien olevat avoimia, sillä niitä ei pystytä eristämään täydellisesti ympäristöstään. Luoma nostaa esimerkiksi kahvikupin, jossa olevan kahvin jäähtyminen on kiinni ympäristöstä. Näin ollen kokonaisuus on avoin systeemi.
 
– On erittäin tärkeää pyrkiä ymmärtämään kvanttisysteemin ja sen ympäristön välistä vuorovaikutusta paremmin, sillä vuorovaikutus voi olla haitallinen systeemin tilan kvanttiominaisuuksille, kuten kietoutumiselle, Luoma sanoo.
 
Avoimen systeemin dynamiikan ratkaiseminen on yleisesti erittäin hankalaa. Siksi Luoman mukaan onkin tärkeää kehittää tehokkaita menetelmiä, millä alikehitys voidaan ratkaista. Apuna hän on käyttänyt Monte Carlo simulaatiota eli menetelmiä, jotka perustuvat satunnaisprosessien hyödyntämiseen.
 
– Monte-Carlo menetelmien avulla ongelman kokoa saadaan tehokkaasti pienennettyä ja tämän lisäksi niiden avulla voidaan joissain tapauksissa selittää avoimen kvanttisysteemin ja ympäristön vuorovaikutuksesta aiheutuvien dynaamisten ilmiöiden syntyä, sanoo Luoma.
 
Hänen väitöstutkimuksen keskeisimpänä aiheena on ollut stokastisten menetelmien kehitys, joilla voisi kuvata avoimen systeemin ja ympäristön vuorovaikutuksesta syntyviä dynaamisia muisti-ilmiöitä.
– Muisti-ilmiöitä voidaan ajatella informaation virtauksen avulla. Kun avoimen systeemin dynamiikka on muistiton, niin informaatiota virtaa avoimesta systeemistä ympäristöön, mutta muisti-ilmiöt aiheuttavat sen, että informaatiovirran suunta voi muuttua, Luoma sanoo.

Muisti-ilmiöiden kokeellinen havaitseminen

Viime vuosina tapahtuneet kokeelliset edistysaskeleet ovat mahdollistaneet yksittäisten kvanttisysteemien ja niiden ympäristön välisen vuorovaikutuksen kontrolloimisen.

 – Tämä on mahdollistanut myös muisti-ilmiöiden kokeellisen havaitsemisen, mikä on tehnyt tutkimuksestamme erittäin mielenkiintoista, Luoma sanoo.

Väitöstyössään hän tutki teoreettisesti myös sitä, miten muisti-ilmiöitä voisi saada diskreetissä dynaamisessa kvanttisysteemissä kontrolloidusti aikaiseksi.

– Olemme tutkineet kvanttikävelyitä, joissa kävelijä on vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Mallimme on kokeellisesti toteutettavissa ja sen avulla muisti-ilmiöitä voisi tutkia aivan uudentyyppisessä systeemissä, sanoo Luoma.

Hän esitti myös, miten kokeellisesti voidaan havaita avoimen systeemin dynamiikan poikkeavan Markovisesta eli muistittomasta kvanttidynamiikasta.

– Olemme voineet näyttää, kuinka mittaamalla jatkuvasti avoimen systeemin ympäristöä ja analysoimalla mittausdataa, voimme tunnistaa milloin muisti-ilmiöt vaikuttavat avoimen systeemin dynamiikkaan, Luoma kertoo.

***

Lauantaina 10. tammikuuta 2015 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Quantumin auditorio, Vesilinnantie 5, Turku) julkisesti tarkastettavaksi FM Kimmo Luoman väitöskirja Stochastic descriptions and memory effects in open system dynamics (Stokastiset kuvaukset ja muisti-ilmiöt avointen systeemien dynamiikassa). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Walter Strunz Dresdenin teknisestä yliopistosta ja kustoksena professori Sabrina Maniscalco Turun yliopistosta.

FM Kimmo Luoma on syntynyt 1985 Muuramessa ja kirjoittanut ylioppilaaksi vuonna 2004 Muuramen lukiosta. Filosofian maisteriksi Luoma valmistui 2010 Turun yliopistosta, jossa hän parhaillaan toimii tohtorikoulutettavana. Väitös kuuluu teoreettisen fysiikan alaan.

Väitöskirjan myynti: Turun yliopiston verkkokauppa UTUshop, https://utushop.utu.fi/c/2-annales-universitatis-turkuensis/

***

Kaikki Turun yliopiston tiedotteet www.utu.fi/tiedotteet

Luotu 05.01.2015 | Muokattu 29.07.2021