Väitös: Pelikoneiden näytönohjaimet valjastettiin kvanttiaineen simulointiin – laskenta nopeutui yli satakertaisesti ja tuki Liisan renkaan ensihavaintoa
Mitä tutkit?
Tutkin Bosen–Einsteinin kondensaattien tietokonesimulointia. Kondensaatti on lähes absoluuttiseen nollapisteeseen jäähdytetty aineen olomuoto, jossa suuri joukko atomeja käyttäytyy kuin yksi ainoa kvanttihiukkanen. Kondensaatteihin voi syntyä pyörteitä, solmuja ja muita topologisia rakenteita, joiden simulointi on hyvin raskasta: koko kondensaatin tila on laskettava uudelleen miljoonia kertoja peräkkäin.
Mitkä olivat tutkimuksesi tulokset?
Kehitin menetelmän, joka tekee simulaatioista tarkempia ja paljon nopeampia. Osoitin, että yleisesti käytetty kuutiohila voi vääristää simuloitua fysiikkaa, kun taas luonnon kiderakenteita jäljittelevät laskentahilat toistavat teorian ennusteet oikein. Toteutin sen pelitietokoneista tutuille näytönohjaimille, jolloin laskenta nopeutui jopa 152-kertaisesti tavanomaiseen prosessoriin verrattuna. Lisäksi muotoilin kondensaattia kuvaavat yhtälöt uudelleen, mikä toi vielä kaksinkertaisen nopeutuksen.
Miten tuloksia voidaan soveltaa?
Simulaatioita tarvitaan kokeiden suunnitteluun ja tulkintaan, sillä ne näyttävät kondensaatin koko rakenteen, josta mittaukset tavoittavat vain osan. Simulaationi tukivat ensimmäistä kokeellista havaintoa Liisan renkaasta – 20 vuotta aiemmin ennustetusta kvanttipyörteestä, jonka läpi kulkeva monopoli muuttuu vastakappaleekseen kuin peilin läpi astuessaan. Simulaatiot osoittivat renkaan elävän noin kymmenesosasekunnin eli lähes kymmenen kertaa kokeissa kuvattua pidempään – riittävän kauan, jotta tätä peilimäistä ominaisuutta voidaan jatkossa tutkia kokeellisesti.
FM Markus Kiviojan laskennallisen tieteen väitöskirjan "Numerical Simulation of Bose–Einstein Condensates Using Discrete Exterior Calculus" tarkastustilaisuus järjestetään 21.11.2026 klo 12. Vastaväittäjänä toimii professori Olivier Pironneau (Sorbonne Université, Ranska) ja kustoksena yliopistonlehtori Sanna Mönkölä.
Väitöstilaisuuden kieli on englanti. Väitöstilaisuutta voi seurata salissa Agora auditorio 1.
Lisätietoa: markus.i.kivioja@student.jyu.fi
