Uutiset

Tutkijat mallinsivat uudenlaisen maailmankaikkeuden kvanttitietokoneella

Kvanttimekaniikan perusoletusten vastaisesti kvantti-informaatio ei säilynyt kubiteilla suoritetuissa operaatioissa. Tutkijat saattoivat myös muuttaa kubittien kvanttilomittuneisuuden astetta muokkaamalla vain yhtä kubittia.
A small microchip containg quantum circuitry inside a metal sample holder
Tutkijat käyttivät tutkimuksessaan kubitteja eli kvanttitietokoneen bittejä. Kuva: KVANTTI-tutkimusryhmä, Aalto-yliopisto.

Atomitason kohteiden käyttäytyminen perustuu kvanttifysiikassa matemaattisiin yhtälöihin, joita kutsutaan hermiittisiksi Hamiltonin operaattoreiksi. Ne ovat olleet lähes sadan vuoden ajan kvanttifysiikan kivijalka. Viime aikoina teoreetikot ovat kuitenkin ymmärtäneet, että tätä perustaa on mahdollista laajentaa hyödyntämällä operaattoreita, jotka eivät ole hermiittisiä.

Nämä kvanttifysiikan uudet yhtälöt kuvaavat maailmankaikkeutta, jolla on aivan omat erityiset sääntönsä. Esimerkiksi tietyillä muuttujilla on ominaisuus, jota kutsutaan pariteetti-aika (PT) -symmetriseksi järjestelmäksi. Ominaisuuteen sisältyvä ajan käännön symmetria tarkoittaa, että jos valo voi kulkea yhteen suuntaan, sen on voitava kulkea myös vastakkaiseen suuntaan. Näin esimerkiksi peiliin katsoja voisi ajan suunnan kääntämällä nähdä peilikuvan sijaan itsestään todellisen maailman version.

Uudessa tutkimuksessaan Aalto-yliopiston dosentti Sorin Paraoanun johtama tutkijatiimi mallinsi kvanttitietokoneen avulla uudenlaisen maailmankaikkeuden, joka käyttäytyy näiden uusien mallien mukaan. Tutkijatiimiin kuuluivat tutkijatohtori Shruti Dogra Aalto-yliopistosta sekä Artem Melnikov Moskovan MIPT-instituutista ja Terra Quantum -yrityksestä.

Tutkijat käyttivät tutkimuksessaan kubitteja eli kvanttitietokoneen bittejä ja saivat kokeellisesti aikaan tuloksia, joita kvanttimekaniikassa ei aiemmin ole pidetty mahdollisina. Tutkimus laajentaa ymmärrystä kvanttimekaniikan rajoista.

Ensimmäinen tulos oli, että perinteisen kvanttiteorian vastaisesti kvantti-informaatio ei säilynyt tietyissä kubiteilla suoritetuissa operaatioissa. Tämä voi auttaa selittämään vielä ratkaisemattomia ongelmia, kuten Stephen Hawkingin mustien aukkojen informaatioparadoksia eli sitä, mitä tapahtuu informaatiolle, kun kappale putoaa mustaan aukkoon.

Tutkijat tarkastelivat myös kahta toisiinsa lomittunutta kubittia. Kvanttilomittumisen ansiosta toisistaan etäällä olevat kubitit ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Einstein kutsui tätä hiukkasten väliseksi haamuvuorovaikutukseksi. Perinteisessä kvanttifysiikassa kahden hiukkasen välisen lomittumisen astetta ei voi muuttaa kajoamatta molempiin hiukkasiin. Uusien mallien valossa tutkijat saattoivat sen sijaan muuttaa kubittien lomittuneisuuden astetta muokkaamalla vain yhtä kubiteista, mitä ei kvanttifysiikassa ole aikaisemmin pystytty osoittamaan.

”Kvanttitietokoneet ovat nyt kehittyneet riittävän pitkälle, että niillä voidaan kokeellisesti testata matemaattisia ja epätavanomaisia teorioita. Tämän tutkimuksen valossa Einsteinin ennustama hiukkasten välinen haamuvuorovaikutus saa entistä vaikeammin ymmärrettäviä ulottuvuuksia”, sanoo Sorin Paraoanu.

Useat viime aikoina kehitetyt optiset tai mikroaaltoihin perustuvat kvanttilaitteet toimivat uusien mallien mukaan. Nyt julkaistu tutkimus voi tarkoittaa, että näitä laitteita voitaisiin simuloida kvanttitietokoneella.

Aallon tutkimusryhmä on osa kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland QTF. Tutkimuksessa on hyödynnetty kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria.

Lisätietoja englanniksi:

Artikkeli: Quantum simulation of parity-time symmetry breaking with a superconducting quantum processor

Sorin Paraoanu
Vanhempi yliopistonlehtori
Aalto-yliopisto
[email protected]
puh. 050 344 2650

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Henkilö seisoo kädet puuskassa seinän edessä, jolle on heijastettu virtapiirejä esittävä kuva ja katselee tyynen näköisenä poispäin kamerasta.
Mediatiedotteet, Opinnot Julkaistu:

Verkostoyliopisto FITech sai lisäaikaa maksuttomille ICT-kursseille

Tietotekniikan alan kaikille avoimia kursseja jatketaan opetus- ja kulttuuriministeriön päätöksellä vuoden 2023 loppuun.
Tilannekuvia siitä, miten hiukkaset muuttavat muotoaan prosessin eri vaiheissa niitten alkuperäisestä jakautumisesta lopputulokseen. Kuva: Aalto-yliopisto
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijat keksivät, miten jäljitellä veden ja tuulen tapaa siirtää materiaaleja

Hiukkaset siirtyvät tärinälevyllä haluttuun muotoon energiakentän ja älykkään algoritmin avulla. Tulevaisuudessa menetelmää voisi hyödyntää esimerkiksi solujen lajittelussa sekä uusissa valmistusteknologioissa.
Kuva Mekong-joelta
Mediatiedotteet Julkaistu:

Ilmastonmuutoksen vaikutukset lisäävät vesidiplomatian tarvetta

Vesikysymykset ovat yhä enemmän myös politiikkaa. Siksi niitä setviessä ei voi loputtomiin väistellä jännitteitä, sanoo tutkija.
Physicists make square droplets and liquid lattices. Picture: Active Matter research group led by Prof. Timonen, Aalto University
Mediatiedotteet Julkaistu:

Fyysikot taivuttivat nesteet neliön, ristikon ja donitsin muotoon

Tutkijat ohjasivat nesteitä sähkökentällä muotoihin, joista monet olisivat luonnossa mahdottomia.