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.
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.
Helium on ainoa alkuaine, joka normaalipaineessa säilyy nestemäisenä aina absoluuttiseen nollapisteeseen saakka. Matalissa lämpötiloissa sen molemmat isotoopit, 3He ja 4He, muuttuvat supranesteiksi, joiden tunnetuin ominaisuus on kitkaton virtaus. TKK:n kylmälaboratorion ROTA-ryhmä tutkii pyörivän 3He supranesteen ominaisuuksia. Normaalinesteissä turbulenssi havaitaan erikokoisina ja eri nopeudella liikkuvina pyörteinä. Supranesteissä turbulentti virtaus koostuu tyypillisesti vyyhdeistä identtisiä kvantittuneita pyörteitä, joita kutsutaan vortekseiksi. Tässä työssä esitellään turbulenttien vorteksikonfiguraatioiden mittaamista ja tuottamista 3He-B kvanttinesteessä. Värähtelevän haarukan muotoisen kvartsioskillaattorin aiheuttama turbulentti virtauskenttä aikaansaa termisten kvasipartikkelien Andreev-siroamista, mikä nähdään pienentyneenä vaimenemisena toisen värähtelijän vasteessa. 3He-näytteen pyörittäminen lisää oskillaattorin vaimenemista. Aikariippumattomassa pyörityksessä oskillaattorin resonanssin leveys on verrannollinen pyöritystaajuuteen. Tämä viittaa siihen, että resonanssinleveys mittaa supranesteen vorteksitiheyttä. Pyöritystaajuuden muutoksen jälkeen oskillaattorin vasteessa havaitaan transientteja, jotka johtuvat vorteksien annihiloitumisprosesseista (hidastus) ja turbulentin vorteksikonfiguraation relaksoitumisesta rektilineaariseksi vorteksihilaksi (kiihdytys).
Kvanttilaskennan eräs ongelma on kvanttisysteemien herkkyys ulkopuolisille vaikutuksille, eli dekoherenssille. Tämä tekee systeemin koherenssista resurssin, jota voidaan käyttää suorittamaan haluttuja toimintoja. Tutkielma alkaa johdannolla lineaarialgebraan ja kvanttimekaniikan perusteisiin, jotta kvanttilaskentaa voidaan mallintaa. Tätä seuraava osuus käsittelee kvanttilaskentaa ja alkaa esittelemällä kubitit, korostaen näiden ja klassisten bittien eroavaisuuksia. Lisäksi esitellään intuitiivinen tapa ajatella yksittäisiä kubitteja, Blochin pallo. Osio jatkuu esittelemällä kvanttiportit jälleen korostaen näiden eroavaisuuksia klassisisiin portteihin. Tämän jälkeen käsitellään kvanttilaskennan erittäin oleellinen eroavaisuus klassisen laskennan välillä, nimittäin mittaus, joka muuttaa alla olevan kvanttisysteemin tilaa ja täten vaikuttaa kvanttilaskennan tulokseen, mikäli mittaus tehdään kesken laskennan. Osuus päätetään esittelemällä yleisesti käytetty tapa mallintaa kvanttilaskentaa, kvanttipiirit. Kolmannessa osiossa kehitellään kvanttilaskennalle universaalien kvanttiporttien käsite. Tarkastelu aloitetaan kaksitasoisilla matriiseilla, jotka myöhemmin samaistetaan kvanttiportteihin. Osiossa myös kehitellään Blochin pallosta intuitiota kvanttiportteja vastaaviin kiertoihin. Tämän jälkeen esitetään tapa luoda mikä tahansa yhden kubitin portti kahdella kierrolla. Seuraavaksi osoitetaan, että tällaisella porttijoukolla ja kontrolloidulla NOT-portilla voidaan luoda mikä tahansa kvanttiportti. Lopuksi muodostetaan universaali porttijoukko. Lopuksi käydään koherenssin resurssiteoriaa. Ensiksi käydään vaaditut valmistelut kvanttioperaattoreista ja kvanttisysteemin entropiasta, jota varten esitellään von Neumannin entropia. Tämän jälkeen erotellaan kvanttisysteemin epäkoherentit tilat ja operaatiot koherenteista tiloista ja operaatioista sekä osoitetaan, että epäkoherenteilla operaatioilla ja yhdellä maksimaalisesti koherentilla kubitilla voidaan luoda mikä tahansa kvanttiportti. Lopuksi todistetaan, että systeemin tiheysmatriisin ja tiheysmatriisin diagonaalin välinen suhteellinen entropia on koherenssimitta.
TiivistelmäTutkimuksen avulla selvitettiin, mitä malleja opettajat ja opettajaopiskelijat käyttävät selittäessään kvantti-ilmiöitä ja -olioita Joensuun fysiikan ja matematiikan laitoksen fysiikan opettajalinjan syventäviin opintoihin kuuluvan Modernia fysiikkaa opettajille -kurssin aikana.Käsiteltyjä kvantti-ilmiöitä ovat mustan kappaleen säteily sekä valosähköinen ja Comptonin ilmiö; kvanttiolioista tarkastellaan elektronia ja fotonia.Lisäksi tutkittiin, miten osallistujat kokevat kurssin ja käytetyn tavanomaisista yliopistofysiikan opetusmenetelmistä poikkeavan, osallistujien ennakkotietoa hyödyntäville tehtäville rakentuvan opetuksen lähestymistavan.Modernia fysiikka opettajille -kurssi toteutettiin tutkimuksen aikana kahdesti.Ensimmäiselle kurssille osallistuneista kahdeksasta opiskelijasta seitsemän opiskeli fysiikkaa ja yksi matematiikkaa pääaineenaan.Kurssi toteutettiin kontaktiopetuksena, jossa luentoja ja harjoituksia oli kuusi viikkotuntia yhdeksän viikon ajan.Toisen kurssin osallistujat olivat fysiikan pätevöittämiskoulutuksessa opiskelevia työssä olevia aineenopettajia.Opetus järjestettiin monimuoto-opetuksena, joka koostui kuukausittaisesta neljän tunnin lähiopetuksesta sekä etäopiskelusta.Kaikkineen kurssi kesti yhdeksän kuukautta.Tutkija toimi molempien kurssien opettajana.Tutkimustehtävän vastaukset muodostettiin tapaustutkimuksen tutkimustraditiota hyödyntävästi.Olihan tutkimuksen tavoitteena aineenopettajien ja opettajaopiskelijoiden kvanttifysiikan oppimisprosessien syvällinen ymmärtäminen.Tutkimuksessa raportoidaan kahden tapausopiskelijan ja kahden tapausopettajan oppimisprosessit.Näitä lähtökohdiltaan erilaisia tapausoppijoita haastateltiin 4-5 kertaa kurssin aikana, minkä lisäksi he osallistuivat esi-ja lopputesteihin.Aineiston analysointia varten audio-ja videonauhoitetut haastattelut digitoitiin ja litteroitiin.Oppijoiden esille tuomien käsitysten ja mallien analysointi suoritettiin fysiikan näkökulmasta käsin.Muodostetut tulokset osoittavat, että tutkimuksen kohteena olleet henkilöt eivät käyttäneet jäsentyneesti ja johdonmukaisesti tieteellisiä malleja.Usein oppijoiden kvantti-ilmiöiden ja -olioiden kuvaamiseen käyttämät mallit muodostuivat useiden erillisten mallien ominaisuuksista: mallit olivat niin sanottuja hybridimalleja.Erityisesti ongelmana vaikutti olevan klassisten ja kvanttimallien sekoittuminen, joten oppijoiden esittämien mallien voidaan sanoa olevan eriytymättömiä.Mallin soveltamisen vaikeudet saattoivat johtua mallin ja todellisuuden välisen suhteen ymmärtämisen ongelmista, ja myös mallista kohteeseen siirtyvien ominaisuuksien hahmottaminen osoittautui erääksi kvanttifysiikan oppimisen ongelmakohdaksi.Lisäksi oppijan aiemman klassisen ja kvanttifysiikan tiedon epäkoherenssi vaikeutti uuden tiedon omaksumista.Toimimattomista malleista tai periaatteista luopuminen näyttää olevan oppijalle vaativa prosessi, joka vaatii oppijalta omien mallien metatason tarkastelua.Aineenopettajien ja opettajaopiskelijoiden suhtautuminen kurssiin ja sen menetelmiin oli pääosin myönteistä.Opettajilta tehtävien varaan rakentuva opetus sai sekä kiitosta että moitetta: opetusmenetelmän koettiin positiivisessa mielessä pakottavan perehtymään opiskeltaviin aiheisiin, mutta se koettiin myös työlääksi.Sekä opettajat että opiskelijat korostivat omakohtaisen pohtimisen tärkeyttä kurssin aiheiden oppimisessa.Opettajaopiskelijat arvostivat myös opetuksen vaihtelevuutta.Tulokset osoittavat, että fysiikan opettajaopinnoissa ja täydennyskoulutuksessa on todellinen kvanttifysiikan erikoiskurssin tarve.Tutkimukseen osallistuneiden opettajaopiskelijoiden ja aineenopettajien kvantti-ilmiöiden ja -käsitteiden hallinta oli vaatimatonta tasoa aiempien, perinteisten kvanttifysiikan kurssien jälkeen, mutta se parani selvästi kurssilla.Tutkimuksen tulokset myös muistuttavat oppijoiden ennakkotiedon huomioimisen tärkeydestä opetuksessa.Fysiikan opintojensa loppuvaiheessa olevilla opiskelijoilla kuten myös kokeneilla opettajilla voi esiintyä tieteellisen näkemyksen vastaisia käsityksiä.Myös heidän aiempi sisältöä koskeva tietonsa voi olla puutteellista.Tutkimuksen mukaan myös vaikeana pidetyn kvanttifysiikan opetuksessa on mahdollista päästä hyviin oppimistuloksiin lähtemällä liikkeelle oppijoiden ennakkotiedoista, tukemalla oppijoiden metakognitiivisten taitojen kehittymistä ja huomioimalla fysiikan malliluonne.Mainittuja tekijöitä voidaan pitää myös yleisinä laadukkaan fysiikan opetuksen kulmakivinä.
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.
Kvanttilaskenta on kasvava tieteenala, joka sai alkunsa 1980-luvulla. Viime aikoina sekä uusien algoritmien että kvanttitietokoneen realisaatioiden kehitys on ollut nopeaa. Kiinnostusta alaan ylläpitää tieto siitä, että suurimittaiset kvanttitietokoneet pystyisivät ratkaisemaan tiettyjä laskennallisia ongelmia nopeammin kuin mitkään nykyperiaatteilla toimivat tietokoneet. Kvanttitietokoneessa informaatio on tallennettu kvanttirekisteriin, joka koostuu kvanttibitteistä eli kubiteista. Rekisterin tilaa voidaan kuvata tilavektorilla. Mahdollisia laskenta-operaatioita voidaan puolestaan kuvata tilavektorin kertomisella unitaarisilla matriiseilla. Viime vuosina on kehitetty menetelmiä, joilla monen kubitin operaatiot eli portit saadaan hajotettua mahdollisimman lyhyeksi sarjaksi realisaatioissa toteutettavissa olevia yhden ja kahden kubitin alkeisportteja. Tehokkaiden laskenta-algoritmien kehittäminen on olennaista tulevaisuuden kvanttitietokoneiden hyödyntämisen kannalta. Tässä työssä on perehdytty erilaisiin mielivaltaisten monikubittiporttien hajotelmiin. Työssä esitellään muutamia uusia hajotelmia ja parannuksia entisiin. Lisäksi on tutkittu alkeisporttikirjaston kaksikubittiportin valintaa. Erityisesti on paneuduttu eri menetelmiin luokitella kaksikubittiportteja. Tähän liittyen työssä esitetään uusi, kaikki kaksikubittiportit kattava tehokkuusluokittelu.
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.