Dynaamiset olomuodon muutokset valottavat monen hiukkasen kvanttisysteemien fysiikkaa
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.
– Edes modernit supertietokoneet eivät tällä hetkellä, eivätkä tulevaisuudessa, kykene tehokkaasti simuloimaan kvanttisysteemejä. Kvanttidynamiikan tutkimus vaatiikin teoreettisia oivalluksia, jotka mahdollistavat uudenlaisia lähestymistapoja vaikeaan ongelmaan, sanoo laskennallisen fysiikan professori Teemu Ojanen Tampereen yliopistosta.
Tampereen yliopiston ja Aalto-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.
– Viime vuosina on ymmärretty, että kvanttisysteemien dynamiikkaan voi liittyä läheisesti olomuodon muutoksien kaltaisia ilmiöitä, vaikka systeemit olisivat hyvin kaukana tasapainotilasta. Kvanttisysteemien dynaamisten olomuodon muutosten tutkiminen tuo uutta tietoa aineen perusominaisuuksista, Ojanen selvittää.
Kvanttitietokoneilla simulointi onnistuu tehokkaasti
Kvanttisysteemien dynamiikka on erittäin ajankohtainen tutkimusaihe myös kvanttitietokoneiden kehityksen ja käyttöönoton näkökulmasta. Ensimmäisen sukupolven kvanttitietokoneiden, jotka ovat lähivuosina tulossa laajempaan käyttöön, 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, Teemu Ojanen toteaa.
Jatkossa tutkijoiden tavoite on soveltaa uutta menetelmää toistaiseksi avointen kompleksisten kvanttisysteeminen teoreettisten ongelmien ratkaisemiseksi.
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.
Lisätiedot
Teemu Ojanen
040 510 5406
teemu.ojanen [at] tuni.fi
