Aallon fyysikot kumosivat kvanttimekaniikan perusperiaatteen kvanttirummuilla – nyt saavutus palkittiin fysiikan alan tutkimusläpimurtona maailmassa

Physics World -lehti on valinnut Aalto-yliopiston professori Mika A. Sillanpään johtaman tutkimustiimin julkaiseman artikkelin vuoden tärkeimmäksi fysiikan alan tutkimusläpimurroksi. Physics World edustaa kansainvälistä fyysikkoseuraa, ja palkittujen tutkimustulosten tulee viedä tiedettä tai sen sovelluksia merkittävästi eteenpäin. Aikaisemmin palkinnon ovat saaneet muun muassa ensimmäinen kuva mustasta aukosta sekä havainto gravitaatioaalloista, joka sai sittemmin myös Nobelin palkinnon.

Palkitussa tutkimuksessa fyysikot onnistuivat mittaamaan samanaikaisesti kvanttirumpukalvojen paikan ja nopeuden – minkä ei kvanttimekaniikan tärkeimpiin perusperiaatteisiin kuuluvan Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen perusteella pitäisi olla mahdollista. Tutkijat käyttivät mittauksissa kahta rumpukalvoa, jotka olivat leveydeltään noin viidesosa hiuksen paksuudesta ja joita voidaan ajatella yhtenä värähtelijänä. Tutkimus julkaistiin toukokuussa 2021 arvostetussa Science-lehdessä.

”Kahden rummun värähtelyt päätyivät tutkimuksessa kollektiiviseen kvanttitilaan, jossa ne värähtelivät vastakkaisissa vaiheissa siten, että kun toinen oli liikkeen yhdessä ääripäässä, toinen oli vastaavasti toisessa samalla ajanhetkellä. Tällaisessa tilanteessa rumpujen hetkellisen sijainnin kvanttimekaaninen epämääräisyys kumoutui”, sanoo Aallossa vuodenvaihteessa apulaisprofessorina aloittava Laure Mercier de Lépinay.

Maailmassa on vain kourallinen tutkimusalueella työskenteleviä tutkimusryhmiä, ja Mika A. Sillanpään ryhmä on sen etulinjassa.

”Jatkamme tutkimusta ja yritämme havaita painovoiman vaikutusta kvanttimekaanisessa järjestelmässä. Se on fysiikan alan suurimpia avoimia kysymyksiä”, Sillanpää kertoo.

”Kokeet ovat hirvittävän vaikeita ja vievät paljon aikaa. Pitää olla paljon kärsivällisyyttä, että jaksaa kehittää uusia reseptejä parhaiden näytteiden valmistamiseksi, sekä uusia tutkimusasetelmia. Mittausjärjestelyt syntyvät pitkälti insinöörityön ja intuition yhteisvaikutuksena. Satunnaisammunnasta ei tule mitään.”

Tutkimuksen mukaan suuretkin kappaleet voivat päätyä niin sanottuun lomittuneeseen kvanttitilaan. Nyt tutkitut järjestelmät ovat silti juuri ja juuri paljaalla silmällä nähtävissä.

”Ei ole tietoa, onko luonnossa joku toistaiseksi tuntematon mekanismi, joka rajoittaa hyvin isojen kappaleiden kvanttiominaisuuksia”, Sillanpää sanoo.

Tutkimus ei tähtää sovelluksiin, mutta mekaaniset värähtelijät voivat auttaa esimerkiksi kvanttitietokoneiden ja -prosessorien yhdistämisessä toisiinsa.

Sillanpään ja Mercier de Lépinayn lisäksi palkitussa tutkimustiimissä olivat mukana Caspar Ockeloen-Korppi, ja kokeen teoreettisen mallin kehittämisestä vastannut tutkija Matt Woolley New South Walesin yliopistosta Canberrasta, Australiasta.

Yhdessä Sillanpään ryhmän kanssa palkittiin yhdysvaltalaisen NIST-tutkimuslaitoksen (National Institute of Standards and Technology) tutkimusryhmä, joka tutkii myös kvanttilomittumista.

”Kumpikin tutkijatiimi osoitti, että he voivat luoda kvanttilomittumista kahden värähtelevän kvanttirummun välille. Koska kvanttirummut ovat kooltaan makroskooppisia, niiden kvanttilomittuminen haastaa perinteisen käsityksen siitä, missä kvanttimaailma loppuu ja arkinen todellisuus alkaa”, sanoo Physics World -lehden verkkoeditori Margaret Harris.

Kvanttirumpututkimuksessa on käytetty Aallon ja VTT:n yhteistä OtaNano-tutkimusinfrastuktuuria. Sillanpään ryhmä kuuluu Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikköön (QTF) ja kansalliseen kvantti-instituuttiin (InstituteQ). Sillanpää johtaa myös Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) rahoittamaa hanketta, jossa tavoitteena on todeta painovoiman vaikutus kahden kultapallon kvanttimekaanisiin tiloihin ja värähtelyyn hyvin pienessä mittakaavassa ja äärimmäisen matalissa lämpötiloissa. Sillanpää on Aallon teknillisen fysiikan laitoksen professori ja Quantum Nanomechanics -tutkimusryhmän vetäjä.