Tutkijat mallinsivat uudenlaisen maailmankaikkeuden kvanttitietokoneella

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
sorin.paraoanu@aalto.fi
puh. 050 344 2650