Väitös, tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikka, MSc Uesli Alushi

Väitöskirjan nimi: Continuous-Variable Quantum Sensing: Criticality-Enhanced Parameter Estimation and Private Distributed Sensing

Väittelijä: Uesli Alushi
Vastaväittäjä: Dr. Martí Perarnau-Llobet, Universitat Autònoma de Barcelona, Espanja
Kustos: Prof. Riku Jäntti, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Kvanttisensorointi hyödyntää kvantti-ilmiöitä, kuten superpositiota ja lomittumista, fysikaalisten suureiden mittaamiseen klassisia mittalaitteita tarkemmin. Se on yksi kypsimmistä kvanttiteknologioista, ja sitä sovelletaan muun muassa gravitaatioaaltojen havaitsemisessa, lääketieteellisessä kuvantamisessa, navigoinnissa ja kellojen synkronoinnissa.
Väitöskirjan ensimmäinen osa käsittelee kriittistä kvanttisensorointia, jossa faasitransition läheisyydessä hajaantuva suskeptiivisuus valjastetaan resurssiksi tuntemattomien parametrien estimoinnissa. Työssä selvitetään, milloin kriittisyys parantaa mittaustarkkuutta, ja johdetaan tarkkuudelle perustavanlaatuisia rajoja. Tulokset osoittavat, että vastoin intuitiota kriittisyys tarjoaa todellista etua dissipaation läsnä ollessa. Kriittiset sensorit päihittävät tavanomaiset sensorit myös silloin, kun sensorin valmisteluun ja mittaukseen kuluvaa aikaa ei voida jättää huomiotta. Lisäksi kriittisten resonaattorien kytkeminen ketjuksi tuottaa kollektiivisen tehostuksen: tarkkuus kasvaa neliöllisesti resonaattorien lukumäärän mukana, kun taas toisistaan riippumattomilla sensoreilla kasvu on lineaarista, ja tämä etu säilyy myös kohinan läsnä ollessa.
Toinen osa käsittelee yksityisyyttä hajautetussa kvanttisensoroinnissa (engl. distributed quantum sensing, DQS), jossa toisistaan etäällä olevat sensorit jakavat lomittuneen tilan estimoidakseen globaalin suureen, kuten paikallisten signaaliensa keskiarvon. Täydellinen yksityisyys toteutuu, kun kullakin käyttäjällä on pääsy ainoastaan globaaliin tulokseen ja omaan dataansa mutta ei mitään tietoa muista käyttäjistä. Työssä tarkastellaan kysymystä: voidaanko suurin mahdollinen estimointitarkkuus ja täydellinen yksityisyys saavuttaa samanaikaisesti? Jatkuvien muuttujien tiloihin keskittyen työ osoittaa, että erityisesti räätälöidyillä kvanttitiloilla voidaan saavuttaa molemmat, vaikka tällaisten tilojen tuottaminen kokeellisesti on haastavaa. Gaussiset tilat, jotka edellyttävät lineaarista optiikkaa ja yksimoodista puristusta, saavuttavat täydellisen yksityisyyden yli kahden solmun verkoissa vain suurilla fotonimäärillä, mutta säilyttävät samalla lähes optimaalisen tarkkuuden.
Kaiken kaikkiaan tulokset raivaavat tietä hallittavien kriittisten kvanttisensorien sekä yksityisyyden turvaavien hajautettujen sensorointiarkkitehtuurien kokeellisille toteutuksille jatkuvien muuttujien alustoilla.

Avainsanat: kvantti-informaatio, kvanttisensorointi, kvanttimekaaninen parametrien estimointi

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu

Yhteystiedot: uesli.alushi@aalto.fi