Dynaamiset olomuodon muutokset valottavat monen hiukkasen kvanttisysteemien fysiikkaa

Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston yhteistyöprojektissa on kehitetty uusi teoreettinen menetelmä kvanttisysteemien dynaamisten faasitransitioiden ennustamiseen. Vahvasti vuorovaikuttavien kvanttisysteemien epätasapainodynamiikka on eräs haastavimmista nykyfysiikan tutkimuskohteista, jolla on ajankohtaisia yhtymäkohtia kvanttitietokoneiden teknologiaan. Tutkimus julkaistiin Physical Review X- lehdessä.

Aineen rakenteen ja modernin huipputeknologian mahdollistamien nanorakenteiden ilmiömaailmaa hallitsevat kvanttimekaniikan lait. Arkijärjen kannalta varsin oudolla kvanttimekaniikalla on keskeinen rooli uusien materiaalien ja teknologioiden kehityksessä. Vahvasti vuorovaikuttavien kvanttisysteemien dynamiikka onkin yksi nykytutkimuksen keihäänkärjistä.

Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston yhteistutkimuksessa kehitettiin uusi teoreettinen menetelmä vuorovaikuttavien kvanttisysteemien dynaamisten faasimuunnosten tutkimiseen. Olomuodon muutokset, kuten kiinteän aineen sulaminen nesteeksi tai nesteen höyrystyminen kaasuksi, ovat tasapainotilojen statistisen fysiikan perusilmiöitä.

Kvanttisysteemien dynamiikka on erittäin ajankohtainen tutkimusaihe myös kvanttitietokoneiden kehityksen ja käyttöönoton näkökulmasta. Ensimmäisen sukupolven kvanttitietokoneiden arvellaan soveltuvan nimenomaan kvanttisysteemien simulointiin traditionaalisia tietokoneita ratkaisevasti tehokkaammin.

Toisaalta vasta kehitysasteella olevan kvanttiteknologian testaamisessa kvanttidynamiikalla on keskeinen rooli: kvanttisimulaatioita voidaan vertailla muilla menetelmillä laskettuihin tuloksiin.

"Näin voidaan saada hyvä käsitys siitä, kuinka hyvin kvanttitietokoneet pystyvät hyödyntämään sen toiminnalle keskeistä kvanttilomittumista ja suoriutumaan kvanttisimulaatioista. Nyt kehitettyä tehokasta menetelmää dynaamisten olomuodonmuutosten ennustamiseksi voidaan tulevaisuudessa hyödyntää tähän tarkoitukseen", Tampereen yliopiston professori Teemu Ojanen toteaa.      

Jatkossa tutkijoiden tavoite on soveltaa uutta menetelmää toistaiseksi avointen kompleksisten kvanttisysteeminen teoreettisten ongelmien ratkaisemiseksi. 

Aalto-yliopiston tutkimusryhmää johtaa professori Christian Flindt, ja se on osa tutkimuksen kansallista huippuyksikköä Quantum Technology Finland QTF ja kansallista kvantti-instituuttia (InstituteQ).

Lue Physical Review X- lehdessä 26.10. 2021 julkaistu tutkimus Determination of Dynamical Quantum Phase Transitions In Strongly Correlated Many-Body Systems Using Loschmidt Cumulants.

Alkuperäinen uutisartikkeli Tampereen yliopiston sivuilla.