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

Lauri Parkkonen and the family cat, Roosa. Photo: Lauri Parkkonen, Aalto, University.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Mitä koirien ja kissojen aivoissa tapahtuu? Uusi kuvantamismenetelmä selvittää lemmikkien mielen saloja

Aalto-yliopiston professori Lauri Parkkosen ryhmä on vuosia kehittänyt kvanttioptisia antureita aivomagneettikäyrän eli magnetoenkefalografian (MEG) mittaamiseen. Toisin kuin perinteisessä MEG-laitteessa, jossa hyvin kylmässä toimivat suprajohtavat anturit vaativat ympärilleen senttimetrejä paksun lämpöeristeen, nämä uudet huoneenlämpötilassa toimivat anturit voidaan tuoda suoraan pään pinnalle. Tämä mahdollistaa entistä tarkemmat aivomagneettikäyrien mittaukset. MEG-kuvantaminen on tutkittavalle kivutonta ja turvallista.
Kuvaa laitteittosta Aalto-yliopsiton Kylmälaboratoriossa.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Ikuinen liike on mahdollista – Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa havainnoitiin kahden fysiikan lait haastavan aikakiteen välistä vuorovaikutusta

Aikakiteet ovat aineen olomuoto, jossa hiukkaset liikkuvat ikuisesti toistuvassa rytmissä ilman ulkopuolista energiaa. Tutkijat onnistuivat luomaan Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa kaksi aikakidettä ja tarkkailemaan niiden välistä vuorovaikutusta. Tulevaisuudessa aikakiteitä voi hyödyntää erilaisissa laitteissa, kuten kvanttitietokoneiden muistina.
Valkoinen laboratoriotakki sekä analyysityökalu, jolla voidaan mitata veripisarasta särkylääkkeen pitoisuus.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Kannettava ja nopea analysointityökalu voi mullistaa kipulääkkeiden diagnostiikkamarkkinat

Aalto-yliopistosta ponnistanut startup-yritys Fepod Oy Ltd on kehittänyt diagnoosimenetelmän, jolla potilaan veren kipulääkepitoisuus voidaan selvittää nopeasti ja edullisesti suoraan hoitopaikalla.
Yhdistelmäkuva, jossa näkyy revontulia, Maa, mittauksia.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Suomi 100 -satelliitti teki sen, mihin aiemmin pystyivät vain paljon suuremmat: kuvasi ja tutki revontulia

Revontulialueen tutkiminen auttaa esimerkiksi turvallisten tietoliikenneyhteyksien kehittämisessä.