Avointen kvanttisysteemien hallinta

Accurate control of a quantum system is complicated to achieve partly due to the system being coupled to its surrounding environment. The coupling induces dissipation and decoherence not only destroying the coherent quantum state but making the application of control unpredictable. When the control results from manipulation of external fields, it is usually referred to as driving and its joint effect with decoherence constitutes an active field of study in reduced-density-operator theory. Recently, this field has been pushed forward by its necessity in simulating Cooper pair pumping where the geometric nature of quantum evolution allows for controlled transport of charge carriers in superconducting circuits. Such circuits themselves are under constant investigation as they grant access to fundamental quantum phenomena and facilitate promising applications such as those in quantum information processing. In this dissertation, driven quantum systems under decoherence are investigated. Extensions and improvements to a recent master equation for nearly adiabatic driving are presented and analyzed. The emergent properties in quantum evolution are studied both analytically and numerically. Related to the findings, a general conservation law of operator current is derived and used to explain observed nonconservation in previous theoretical studies. The derived theory is applied to Cooper-pair pumping and shown to lead to important properties such as superadiabatic ground-state pumping. A recent pumping experiment is simulated and the breakdown point for ideal pumping is found with feasible physical parameters. A study of charge transport in the presence of flux noise is presented leading to detectable dissipative currents and the typical description of the device used for pumping is extended to include a nonvanishing loop inductance. A novel approach to implement control of quantum systems is proposed based on constructing a tunable coupling to an artificial environment using either a coplanar waveguide cavity or coupled quantum LC resonators. Tunability allowing for both efficient initialization and protected evolution is theoretically demonstrated. Finally, a general framework for quantum driving is constructed without the typical assumption of a classical driving force leading to peculiar results. This dissertation presents original research on both modeling the control of open quantum systems as well as the realization of such control. The work simulates physical phenomena in superconducting circuits and makes predictions for future experiments. In addition, it introduces novel theoretical tools and approaches that advance the state of the art.Kvanttisysteemin tarkan hallinnan tekee osaltaan monimutkaiseksi sen kytkeytyminen ympäristöönsä. Tämä kytkentä aiheuttaa dissipaatiota ja dekoherenssia, jotka eivät vain tuhoa koherenttia kvanttitilaa vaan tuovat hallintaan arvaamattomuutta. Kun hallinta on seurausta ulkoisten kenttien käsittelystä, sitä yleensä kutsutaan ajoksi ja sen yhteisvaikutusta dekoherenssin kanssa tutkitaan aktiivisesti redusoidun tiheysoperaattorin teoriassa. Hiljattain tätä tutkimusaihetta on edistänyt sen tarpeellisuus Cooperin parien pumppauksen simuloinnissa. Tässä fysikaalisessa ilmiössä kvanttiaikakehityksen geometrinen luonne mahdollistaa varauksenkuljettajien hallitun siirron suprajohtavissa piireissä. Tällaiset piirit itsessään ovat jatkuvan tutkimuksen alaisina, sillä ne luovat kosketuspinnan perustavanlaatuisiin kvantti-ilmiöihin ja toimivat perustana lupaaville sovelluksille vaikkapa kvantti-informaation käsittelyssä. Väitöskirjassa tutkitaan dekoherenssille altistuneita ajettuja kvanttisysteemejä. Työssä esitetään laajennuksia ja parannuksia melkein adiabaattisen ajon mestariyhtälöön, ja tutkitaan vastaavia kvanttimekaanisessa aikakehityksessä ilmeneviä ominaisuuksia sekä analyyttisesti että numeerisesti. Löydöksiin liittyvä yleinen operaattorivirran säilymislaki johdetaan, ja sitä käytetään selittämään havaittu säilymättömyys aiemmissa teoreettisissa tutkimuksissa. Tätä teoriaa sovelletaan Cooperin parien pumppaukseen, ja sen näytetään johtavan tärkeisiin ominaisuuksiin. Työssä simuloidaan hiljattain julkaistua pumppauskoetta ja mallinnetaan ihanteellisen pumppauksen hajoamispiste. Varauksensiirtoa tutkitaan myös vuokohinan vaikutuksen alaisena, ja sen huomataan johtavan havaittavissa oleviin dissipatiivisiin virtoihin. Lisäksi väitöskirjassa laajennetaan tyypillistä pumppaukseen käytettävän systeemin kuvausta ottamalla huomioon nollasta poikkeava silmukkainduktanssi. Työssä esitellään uudenlainen lähestymistapa kvanttisysteemien hallinnan toteuttamiseen. Se pohjautuu säädettävään kytkentään keinotekoisen ympäristön kanssa käyttäen joko koplanaarisen aaltojohtimen kaviteettia tai kvanttimekaanisia LC-resonaattoreita. Teoreettisella tarkastelulla osoitetaan, että säädettävyys mahdollistaa sekä tehokkaan alustamisen että suojatun kehityksen. Lopulta työssä kehitellään kvanttiajon yleinen teoria, joka ei käytä tyypillistä klassisen ajavan voiman oletusta, ja sen huomataan johtavan erityislaatuisiin tuloksiin. Väitöskirja esittelee uusia tuloksia liittyen hallinnan mallintamiseen ja toteuttamiseen avoimissa kvanttisysteemeissä. Työssä simuloidaan fyysisiä ilmiöitä suprajohtavissa piireissä ja ennustetaan kokeellista käytöstä. Lisäksi siinä esitellään uusia teoreettisia työkaluja ja lähestymistapoja, jotka edistävät nykyistä huipputietämystä