Materiaalin viritystilat linkittyvät erottamattomasti paikallisen optisen ympäristön energiatilojen kanssa, kun materiaalin ja sen optisen ympäristön energiatilat ovat resonansissa ja kytkeytyminen niiden välillä on tarpeeksi vahvaa. Tällaisen vahvasti kytkeytyneen valon ja materian hybridin uudet energiatilat ovat hyvin erilaiset, kuin pelkän valon tai materiaalin energiatilat erikseen. Uusien energiatilojen erotusta kutsutaan Rabi jakautumiseksi. Spektroskopiassa absorptiospektrin Rabi jakautuminen on tunnusomainen piirre vahvalle kytkennälle. Tässä tutkielmassa havainnollistetaan, miksei väriaine-molekyylien ja optisten kaviteettien välisen vahvan kytkennän aiheuttamaa Rabi jakautumista pystytä selittämään spektrin jakautumisella, joka muodostuu väriaineen absorboidessa kaviteettimoodista. Optiset Fabry-Perot kaviteetit luotiin höyrystämällä peilinä toimivat hopeakerrokset valoresiiniohutkalvon alle ja päälle. Lasin päälle luodut kaviteetit ovat satojen nanonetrien paksuisia ja niillä on leveät resonanssit. Säätämällä ohutkalvon paksuutta kaviteettimoodin resonanssienergia saatiin vastaamaan väriaineen elektronista viritysenergiaa. Lisäämällä väriainetta peilen väliseen ohutkalvoon muodostetaan vahvasti kytkeytynyt järjestelmä, josta voidaan mitata huoneen lämpötilassa satojen millielektronivolttien Rabi jakautuminen. Samankaltainen spektrin jakautuminen voidaan luoda transmittanssispektriin asettamalla väriainetta sisältäviä ohutkalvoja tyhjän kaviteetin perään. Lisätyt ohutkalvot absorboivat vain kaviteetin läpäissyttä valoa muuttamatta heijastusspektriä. Optisia kaviteetteja simuloitiin käyttäen siirtomatriisimenetelmää. Kaviteettien rakenne optimoitiin siten, että kaviteetin λ/2-resonanssimoodin energia vastaa Rhodamiini 6G (R6G) väriainemolekyylin elektronista viritystä. Kaviteetin eri kerrosten paksuudet mitattiin atomivoimamikroskoopilla. Vahvasti kytkeytyneet ja uudelleenabsorboivat kaviteettijärjestelmät karakterisoitiin mittaamalla transmittanssi- ja heijastusspektrit. Järjestelmien absorptio laskettiin mitatuista spektreistä yhtälöllä A = 1 - T - R. Kaviteettien dispersiot selvitettiin tekemällä optiset mittaukset eri kulmilla. Ainoastaan vahvasti kytketyn järjestelmän absorptiospektreissä huomataan spektrin jakautuminen . Kasvattamalla R6G:n konsentraatiota kaviteetissa 140 millimoolista 275 millimooliin vakuumi Rabi jakautuminen kasvoi kiinteän kulman absorptiomittauksessa 150 millielektronivoltista 220 millielektronivolttiin. Tulokset vastaavat teoriaa, jonka mukaan vakuumi Rabi jakautuminen riippuu lineaarisesti molekyylien konsentraation neliöjuuresta.
Materiaalin viritystilat linkittyvät erottamattomasti paikallisen optisen ympäristön energiatilojen kanssa, kun materiaalin ja sen optisen ympäristön energiatilat ovat resonansissa ja kytkeytyminen niiden välillä on tarpeeksi vahvaa. Tällaisen vahvasti kytkeytyneen valon ja materian hybridin uudet energiatilat ovat hyvin erilaiset, kuin pelkän valon tai materiaalin energiatilat erikseen. Uusien energiatilojen erotusta kutsutaan Rabi jakautumiseksi. Spektroskopiassa absorptiospektrin Rabi jakautuminen on tunnusomainen piirre vahvalle kytkennälle. Tässä tutkielmassa havainnollistetaan, miksei väriaine-molekyylien ja optisten kaviteettien välisen vahvan kytkennän aiheuttamaa Rabi jakautumista pystytä selittämään spektrin jakautumisella, joka muodostuu väriaineen absorboidessa kaviteettimoodista. Optiset Fabry-Perot kaviteetit luotiin höyrystämällä peilinä toimivat hopeakerrokset valoresiiniohutkalvon alle ja päälle. Lasin päälle luodut kaviteetit ovat satojen nanonetrien paksuisia ja niillä on leveät resonanssit. Säätämällä ohutkalvon paksuutta kaviteettimoodin resonanssienergia saatiin vastaamaan väriaineen elektronista viritysenergiaa. Lisäämällä väriainetta peilen väliseen ohutkalvoon muodostetaan vahvasti kytkeytynyt järjestelmä, josta voidaan mitata huoneen lämpötilassa satojen millielektronivolttien Rabi jakautuminen. Samankaltainen spektrin jakautuminen voidaan luoda transmittanssispektriin asettamalla väriainetta sisältäviä ohutkalvoja tyhjän kaviteetin perään. Lisätyt ohutkalvot absorboivat vain kaviteetin läpäissyttä valoa muuttamatta heijastusspektriä. Optisia kaviteetteja simuloitiin käyttäen siirtomatriisimenetelmää. Kaviteettien rakenne optimoitiin siten, että kaviteetin λ/2-resonanssimoodin energia vastaa Rhodamiini 6G (R6G) väriainemolekyylin elektronista viritystä. Kaviteetin eri kerrosten paksuudet mitattiin atomivoimamikroskoopilla. Vahvasti kytkeytyneet ja uudelleenabsorboivat kaviteettijärjestelmät karakterisoitiin mittaamalla transmittanssi- ja heijastusspektrit. Järjestelmien absorptio laskettiin mitatuista spektreistä yhtälöllä A = 1 - T - R. Kaviteettien dispersiot selvitettiin tekemällä optiset mittaukset eri kulmilla. Ainoastaan vahvasti kytketyn järjestelmän absorptiospektreissä huomataan spektrin jakautuminen . Kasvattamalla R6G:n konsentraatiota kaviteetissa 140 millimoolista 275 millimooliin vakuumi Rabi jakautuminen kasvoi kiinteän kulman absorptiomittauksessa 150 millielektronivoltista 220 millielektronivolttiin. Tulokset vastaavat teoriaa, jonka mukaan vakuumi Rabi jakautuminen riippuu lineaarisesti molekyylien konsentraation neliöjuuresta.
Tällä hetkellä kvanttilaskennan ala kehittyy nopeasti. Tutkijat vievät alaa eteenpäin, ja yritykset tarjoavat käyttäjille joko kvanttilaskentatehoa tai kvanttitietokoneita. Nämä ovat kuitenkin vielä varhaisia demonstraatioita, ja täysimittaisen kvanttitietokoneen kehittäminen jatkuu. Ratkaistavien haasteiden joukossa on kubittien kytkeminen eri fyysisiin järjestelmiin. Tässä väitöskirjassa esitetty työ edistää piipohjaisten kubittien luku- ja kytkentäsmenetelmien kehittämistä. Tämä väitöskirja keskittyy materiaalivioista tai valmistusvirheistä johtuvien vaikutusten ratkaisemiseen tai hallintaan. Yleisesti ottaen nämä virheet vaikuttavat kubitin tilan lukuun ja pahimmassa tapauksessa estävät sen kokonaan. Ensimmäisessä artikkelissa tutkitaan optoelektronisen luku- ja mittausmenetelmää donoreiden spinille. Järjestelmää viritettiin valolla ja donorijoukon spinien tila luettiin sähköisesti. Kokeissa havaittiin odottamattomia ilmiöitä, jotka voitaitiin selittää materiaalin venymän avulla. Venymä voi olla piikiteen sisäistä, mutta se voi myös olla seurausta piin pinnalle asetetuista metallielektrodeista. Koska metallin ja piin lämpölaajenemiskertoimet eivät ole yhtenevät, näytteen jäähdyttäminen aiheuttaa venymää metallin ja piin rajapinnassa. Venymän vaikutuksia eksitonitransitioon tutkittiin kokeellisesti ja simulaatioiden avulla. Saimme lähes täydellisen sovituksen kokeellisiin tuloksiin niin sanotulla Pikus-Bir-teorialla. Toisessa artikkelissa käsitellään optomekaanista laitetta, joka on suunniteltu kvanttitilan muuttamiseksi optiseksi signaaliksi. Sekä laitteen mekaaniset että optiset ominaisuudet eivät vastanneet odotuksia verrattuna aiempiin kokeisiin. Erityisesti optomekaaninen resonanssi, jossa optiset ja mekaaniset tilat ovat kytkeytyneet toisiinsa, vaihtelee optisen aallonpituuden funktiona. Lisäksi mekaaninen tila oli jakautunut, mikä aiheutti kaksi resonanssihuippua. Odottamattomat tulokset osoittautuivat johtuvan donori-implantointiprosessista, jossa korkean energian donori-ioneja ammutaan piihin. Tämän seurauksena piikide kärsii vaurioita, joka vaikuttavat optisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Kidevauriot voidaan korjata hehkuttamalla näyte implantoinnin jälkeen uunissa. Kidevaurioiden korjautuminen näkyi mittauksissa ja se voitiin selittää myös FEM-simulaatiolla. Kubitin tilan ulosluennan lisäksi kvanttimuuntimet ovat tärkeitä, kun otetaan huomioon käynnissä oleva kvanttivallankumous. Kvanttimuuntimet muuttavat kvantti-informaation koherentisti yhdestä fyysisestä järjestelmästä toiseen. Esimerkiksi spintila voitaisiin muuntaa optisiksi tai sähköisiksi signaaleiksi. Nämä signaalit voivat kulkea pitkiä matkoja ja kytkeä eri kvanttijärjestelmiä toisiinsa. Kolmannessa artikkelissa ja väitöskirjan neljännessä luvussa ehdotetaan kahta erilaista piipohjaista universaalia optomekaanista kvanttimuunninta. Niiden suorituskykyä arvioidaan simulaatioiden ja teoreettisten tarkastelujen avulla. Avainsanat: Eksitonit, optomekaniikka, kubitti, fotonikide, fononikide
Viime vuosina on tutkittu paljon onttojen optisten kuitujen soveltumista neutraalien atomien liikkeen ohjaamiseen. Merkittävän ongelman monimuotokuitujen kohdalla muodostaa eri kenttämuotojen interferenssistä aiheutuva muotokohina, jonka seurauksena kuidun sisäpinnalle ilmestyy pimeitä alueita. Nämä tekevät atomien ohjaamiseen tarvittavasta optisesta potentiaalista spatiaalisesti erittäin epähomogeenisen. Jos lasersäteen sisääntulokulmaa kuitenkin moduloidaan riittävän nopeasti, kuidussa etenevät atomit näkevät aikakeskiarvoistetun efektiivisen potentiaalin, joka voi olla hyvinkin tasainen. Tässä diplomityössä esitetään edellä mainitun värähtelymenetelmän perusteellinen analyysi. Työn alussa ratkaistaan onton optisen monimuotokuidun etenevät kenttämuodot sekä niiden kenttäjakaumat kuidun ulostulopäässä, myös optisella lähialueella. Tämän jälkeen tutkitaan, miten syttyvien kenttämuotojen joukko riippuu tulevan lasersäteen sisääntulokulmasta, sen vyötärön leveydestä ja kohdistuksesta onton kuidun päätyyn. Saatuja tuloksia käytetään edelleen vaimenevan kentän muotokohinaltaan tasoitetun intensiteettiprofiilin konstruointiin. Osoittautuu, että alimman lineaarisesti polarisoituneen kenttämuodon sylinterisymmetrisen ulostulojakauman intensiteetti keskittyy voimakkaasti kuidun akselille optisessa lähikentässä. Täten se soveltuu kylmien atomien "työntämiseen" kuidun sisälle. Korkeampien kenttämuotojen ulostulojakaumat ovat pimeitä kuidun akselilla, ja niitä voidaan siten käyttää onttojen lasersäteiden tuottamiseen ja atomien siirtämiseen kuidun sisälle myös optisesta kaukokentästä. Gaussisen lasersäteen osuessa keskelle onton kuidun aukkoa, syttyvien kenttämuotojen joukko riippuu ainoastaan säteen sisääntulokulmasta, mutta ei juurikaan sen vyötärön koosta. Kun tuleva säde kohdistetaan kuidun ytimeen, tämä joukko määräytyy voimakkaasti kenttämuotojen radiaalisen osan perusteella, jos sisääntulokulma on kuidun ja säteen muodostaman systeemin symmetriatasossa. Sisääntulokulman olleessa tätä tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa, kenttämuodot syttyvät puolestaan niiden kulmariippuvan osan määrääminä. Kun lasersäteen sisääntulokulmaa moduloidaan em. symmetriatasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa, vaimenevan kentän tasoitetussa jakaumassa saavutetaan matalin muotokohinan kontrasti. Symmetrisessä tapauksessa muotokohinan kontrasti ei koskaan saavuta tällaista paikallista minimiä, mutta intensiteetin keskiarvo voi tässä tapauksessa olla kuidun sisäpinnalla kaksikin kertaa niin suuri kuin symmetrian rikkovassa tapauksessa. Saadut tulokset osoittavat, että muotokohinaa voidaan tasoittaa huomattavasti enemmän, kuin mitä tähän mennessä ainoassa raportoidussa kokeellisessa työssä on esitetty.
Tämä diplomityö käsittelee optiikan motivoimaa operaattoriteoriaa. Optiikan kannalta tarkastellaan optisia järjestelmiä, jotka rakentuvat samalla optisella akselilla sijaitsevista linsseistä. Fysikaaliselta kannalta optiikkamme on pääsääntöisesti Fourier-optiikkaa, joka ottaa huomioon valon diffraktiivisen aaltoluonteen, mutta tarkastelemme myös sädeoptiikkaa, joka ei tähän kykene. Fourier-optiikan operaattoriteoriassa tarvitaan L2(Rn):n integraalioperaattoreita. Tarkastellaan siis integraalioperaattoreita funktioavaruuksissa. Esitellään Fockin funktioavaruus, ja käydään läpi integraalioperaattoreiden ominaisuuksia tällä funktioavaruudella. Sekä Fourier-optisten operaattorien että sädeoptiikassa esiintyvien matriisien joukot ovat ryhmiä. Täten työssä käydään läpi myös ryhmäteoriaa. Erityisen sijan saa symplektisten matriisien ryhmä Sp(2n,R). Tämän todetaan olevan sädeoptiikassa esiintyvien operaattoreiden ryhmä ja sitä tarkastellaan mm. Lien ryhmänä. Todistetaan lisäksi mille tahansa symplektiselle matriisille pätevä algebrallis-konstruktiivinen matriisihajotelma yksinkertaisiin generaattoreihin. Tällainen hajotelma ei sellaisenaan ole tekijän tietämyksen mukaan tunnettu. Vihdoin ryhmien yhteydessä tarkasteltua esitysteoriaa, integraalioperaattoreiden yhteydessä tarkasteltua Fockin funktioavaruutta ja sen teoriaa käytetään metaplektisen esityksen konstruoimiseen. Metaplektinen esitys on ryhmärakenteen säilyttävä yksi kahteen kuvaus sädeoptisen symplektisen matriisiryhmän ja Fourier-optisen integraalioperaattoreiden ryhmän välillä. Lisäksi lasketaan aiemmin todistetun algebrallis-konstruktiivisen hajotelman mukaisten generaattoreiden kuvat tässä esityksessä.
Erittäin matalissa lämpötiloissa aineen aalto-ominaisuudet tulevat näkyviin, mikä mahdollistaa monien kvanttimekaanisten ilmiöiden tutkimisen ja hyödyntämisen. Kehittyneillä lasertekniikoilla kaasumaisia atomijoukkoja voidaan jäähdyttää aina µK-lämpötiloihin asti. Näiden jäähdytettyjen atomien - toisin sanoen aineaaltojen - liikettä voidaan tehokkaasti hallita lokalisoitujen magneettikenttien avulla. Tarvittavat magneettikentät luodaan yleensä tasaisella pinnalla olevien mikroskooppisten virtajohtimien avulla. Tällaisen atomiloukun avulla voidaan kokeellisesti tutkia pieneen tilaan vangittuja atomeja sekä esimerkiksi aineaaltojen interferenssiilmiöitä. Virtajohtimien käyttö kuitenkin asettaa oleellisia rajoituksia menetelmän toimivuudelle sähkövirran aiheuttaman kohinan vuoksi. Tämäntyyppiset atomiloukut eivät myöskään sovellu perustilassa olevien atomien tutkimiseen. Uudenlainen menetelmä, jolla edellä mainitut ongelmat voidaan välttää, on luoda atomiloukkuna toimiva potentiaali yhdistämällä mikroskooppisen kestomagneetin atomeja puoleensavetävä vaikutus epähomogeenisen laserkentän atomeja hylkivään vaikutukseen. Tarvittava laserkenttä saadaan aikaan prisman pinnalla tapahtuvan kokonaisheijastuksen avulla. Prisman pinnalle upotettavien kestomagneettirakenteiden on siten oltava läpinäkyviä käytetyn laserin aallonpituudella. Tällainen mikroskooppinen atomiloukku voidaan valmistaa kasvattamalla ensiksi prisman päälle ohutkalvo läpinäkyvästä magneettisesta materiaalista, ja tämän jälkeen kuvioimalla mikrorakenteet kalvoon litografisesti. Tämän työn tarkoituksena oli mallintaa atomien vangitsemiseen soveltuvia potentiaaleja, joita kestomagneettirakenteilla voitaisiin saada aikaan sekä lisäksi tutkia kokeellisesti ohutkalvon kasvatusprosessia laserablaatiomenetelmällä läpinäkyvästä kestomagneettimateriaalista, yttrium-rauta -garnetista (YIG). Työssä mallinnettiin kaksi yksinkertaista kestomagneettirakenteiden geometriaa, minkä tuloksena huomattiin, että atomien vangitseminen kahdessa tai kolmessa ulottuvuudessa on mahdollista. Monimutkaisempien rakenteiden aiheuttamia potentiaaleja mallintamalla havaittiin, että kestomagneettirakenteiden avulla on mahdollista toteuttaa atomiloukkuja, jotka toimisivat säteenjakajana (beam splitter) ja rengasinterferometrina aineaalloille. Toisaalta tehdyt laskut osoittavat, että attraktiivinen (van der Waals) pintavuorovaikutus asettaa suuret vaatimukset potentiaalien synnyttämisessä käytetylle laserlaitteistolle. Nämä ovat kuitenkin saavutettavissa nykypäivän teknologialla. Laserablaatiomenetelmän avulla valmistettiin sarja YIG-ohutkalvoja käyttämällä kasvatusalustana ohuita gadolinium-gallium -garnettikiteitä. Kalvot tutkittiin magnetometrimittauksilla sekä pyyhkäisyelektronimikroskopian ja optisen absorptiospektroskopian avulla. Tulokset osoittavat, että laserablaatiolla pystyttiin valmistamaan ohutkalvoja, joilla on riittävän suuri magnetoituma, hyvä pinnan laatu sekä tarvittava läpinäkyvyys oikealla aallonpituusalueella. Tulosten perusteella menetelmää voidaan seuraavaksi laajentaa ohutkalvojen kasvattamiseen prisman pinnalle: tämä on seuraava askel mikroskooppisen atomiloukun toteutuksessa.
Kvanttilaskennasta odotetaan mullistavaa teknologiaa, mutta miten sitä oikeastaan pyritään toteuttamaan ja kuinka pitkälle kehitys on edennyt? Mitä muuta tarvitaan kuin vain paljon kubitteja? Tässä kirjallisuuskatsauksessa pyritään alaan perehtymättömälle ymmärrettävällä tavalla selvittämään kvanttilaskennan johtavat toteutusmenetelmät, nykytila ja merkittävimmät haasteet pääpiirteissään. Kvanttilaskennan idea alkoi kehittymään 1970- ja 1980-lukujen vaihteessa, ja 1990-luvulla kvanttialgoritmien tutkimus lisäsi löydöksillään alan saamaa huomiota. 2000-luvun alkuun mennessä oli jo onnistuttu kokeellisesti tuottamaan pieniä, korkeintaan muutaman kubitin systeemejä useammalla erilaisella menetelmällä. Kubitiksi voidaan periaatteessa valita mikä tahansa hallittavissa oleva kaksitilainen kvanttisysteemi, mutta lupaavimmat toteutukset perustuvat atomi-ionien elektronien viritystiloihin tai suprajohtaviin värähtelypiireihin. Ioniloukku pitää kubitteina käytettävät jäähdytetyt ionit sähkömagneettisten kenttien avulla leijumassa tyhjiössä. Kubittien tilaa hallitaan eli portteja toteutetaan sopivan polarisaation, taajuuden ja keston laser- tai mikroaaltopulsseilla. Laskennalle välttämättömät kahden kubitin portit hyödyntävät informaation välityksessä loukussa pidettävien ionien yhteisen värähtelyliikkeen kvantittumista. Suprajohtavien piirien valmistuksessa sovelletaan puolijohdeteollisuuden menetelmiä. Värähtelypiirin energiatilat ovat kvantittuneet, ja näistä kaksi alinta vastaavat kubitin tiloja. Siirtymiä näiden tilojen välillä hallitaan mikroaaltosäteilyllä, jonka fotonien energia vastaa energiatilojen erotusta. Kubittien keskinäinen lomittaminen usean kubitin operaatioissa on mahdollista piirien ollessa kytkettyinä toisiinsa kapasitiivisesti tai induktiivisesti, toteutustavasta riippuen. Kvanttitietokoneet vaativat huomattavan monipuolista laitteistoa muun muassa kubittien jäähdyttämiseen ja mittaamiseen sekä hallintasignaalien tuottamiseen ja välittämiseen. Nykyään kvanttitietokoneilla pystytään jo suorittamaan lyhyitä algoritmeja, mutta käytännön kannalta merkityksellisten ongelmien ratkaisemisessa klassiset supertietokoneet pärjäävät edelleen paremmin. Kvanttitietokoneiden skaalaamista hyödylliseen mittakaavaan hidastavat lukuisat ongelmat, joista suuri osa perustuu vaatimukseen voida hallita suurta määrää häiriöherkkiä kubitteja erittäin tarkasti.
Työssä tutkittiin energiaspektroskopian soveltuvuutta suprajohtavan tetraedrikvanttibitin tutkimukseen. Tätä tarkoitusta varten valmistettiin näyte eli nanokokoinen suprajohtava mikropiiri, joka toimisi kvanttibittinä. Näyte koostuu useasta Josephsonin junktiosta, jotka on kytketty tetraedrisymmetrisesti toisiinsa. Näytteen valmistukseen käytettiin elektronisuihkulitografiaa ja tyhjiökammiohöyrystystä. Teoriaosuudessa lasketut kvanttibitin aaltofunktioiden symmetriat antavat mahdolliset kvanttimekaaniset siirtymät (piikit jännitevirtamittauksessa), joita spektroskopialla yritettiin havaita näytteen ollessa jäähdytettynä kryostaatilla alumiinin suprajohtavaan tilaan. Työssä esitellään näytteen valmistukseen käytetyt menetelmät ja esitetään suprajohtavuuteen liittyvä perusteoria joka lopuksi tarkennetaan ottamaan kvanttimekaaniset ilmiöt huomioon. Lisäksi esitellään kokeellisista mittauksista saadut tulokset ja niiden analyysi. Työ suoritettiin kokonaisuudessaan Kylmälaboratorion tiloissa Otaniemessä. Mittauksissa keskityttiin kvanttibitin energiatasospektroskopiaan, jossa yritettiin havaita resonansseja kvanttibitin alimmista diskreeteistä energiatasoista, joiden suuruusarvio laskettiin kvanttimekaniikan avulla. Osoittautui kuitenkin, että jännitevirtamittausten tulokset ovat hyvin herkkiä näytteen parametreille. Spektroskopia onnistui, mutta mittaustulosten tulkinta on hankalaa ja siten niitä jouduttiin selittämään monien eri mallien avulla. Lopputuloksena todettiin, että spektroskopian onnistumisen kannalta valmistettu näyte oli marginaalinen tietyiltä kvanttimekaanisilta ominaisuuksiltaan.