Bosoninen monen kappaleen lokalisaatio ja kollektiiviset ilmiöt transmon-laitteissa

Kvanttitietokone on laite, jolla voidaan kvanttimekaanisia ilmiöitä hyödyntäen ratkaista tiettyjä ongelmia huomattavasti tavallista tietokonetta nopeammin. Klassisessa tietokoneessa laskenta suoritetaan bittien avulla, joilla voi olla tila 0 tai 1. Kvanttitietokoneessa käytetään bittien sijaan kubitteja, joiden tila voi olla 0 ja 1 samanaikaisesti. Lupaavimpana ehdokkaana kubitiksi pidetään suprajohtavia transmon-laitteita.

Kvanttilaskennan onnistumiseksi on tärkeää, että kubitit ovat eristetty ympäröivästä maailmasta, sillä kytkentä ympäristöön hajottaa niiden kvanttiluonteen. Ympäristön aiheuttamat virheet ovat tällä hetkellä yksi suurimmista esteistä kvanttitietokoneiden toiminnalle. Lisäksi suprajohtavista kubiteista on haastavaa valmistaa täysin identtisiä. Tästä johtuen kubittijärjestelmissä esiintyy epäjärjestystä, mikä rajoittaa niiden sovelluksia kvanttilaskennassa. Kvanttilaskennan lisäksi näitä laitteita voidaan hyödyntää kenties helpommin kvanttisimulaatioissa, joissa monimutkaisia kvanttijärjestelmiä mallinnetaan kokeellisesti yksinkertaisemmilla kvanttilaitteilla. Tässä työssä tutkittiin laskennallisesti ja teoreettisesti erilaisia monen kappaleen ilmiöitä, joita voitaisiin mallintaa nykyisin saatavissa olevilla suprajohtavilla kvanttilaitteilla.

Väitöstyön ensimmäisessä osassa tutkittiin kubittien kytkeytymistä sähkömagneettiseen säteilykenttään aaltoputken sisällä. Tämä kytkentä aiheuttaa kollektiivisia ilmiöitä, jotka nähdään hyvin nopeasti hajoavina kirkkaina tiloina, ja vastaavasti hajoamattomina pimeinä tiloina. Monen kubitin muodostamia kollektiivisia pimeitä tiloja voidaan mahdollisesti hyödyntää kvanttilaskennassa yksittäisinä loogisina kubitteina, sillä ne ovat huomattavasti paremmin ympäristöstään eristettyjä kuin yksittäiset kubitit. Tämä osuus tehtiin yhteistyössä kokeellisen ryhmän kanssa, jonka mittaustulokset vastasivat erittäin hyvin kehitettyä teoriaa.

Toisessa osassa tutkittiin epäjärjestyksen vaikutusta kubittijärjestelmän toimintaan. Johtuen kubittien valmistusprosessista, niiden taajuuksissa esiintyy hajontaa. Vuorovaikuttavissa järjestelmissä tarpeeksi voimakas hajonta aiheuttaa muutoksen, jota kutsutaan monen kappaleen lokalisaatioksi. Tässä olomuodossa järjestelmä ei noudata perinteisen termofysiikan lakeja. Työssä laskettiin, että suprajohtavissa piireissä tämä muutos tapahtuu kokeellisesti saavutettavilla parametreilla. Suprajohtavat laitteet soveltuvat siis tällaisten järjestelmien tutkimiseen kokeellisesti, ja näitä ilmiöitä onkin jo havaittu mittauksissa.

Olennainen osa tutkimusta oli ottaa huomioon myös suprajohtavien laitteiden korkeammat viritystilat, joilla havaittiin olevan merkittävää vaikutusta tutkittavien järjestelmien toimintaan.