EMBARGO 6.5.2021 klo 21.00: Tutkijat onnistuivat kiertämään kvanttimekaniikan kulmakivenä pidetyn epätarkkuusperiaatteen - välineinä kylmät kvanttirummut

Kvanttimekaniikan tärkeimpiä tuloksia on epätarkkuusperiaate, jonka Werner Heisenberg esitti 1920-luvun lopulla. Sen mukaan alkeishiukkaset, esimerkiksi sähkövirtaa kuljettavat elektronit, voivat käyttäytyä aaltoliikkeen tavoin. Tällöin hiukkasella ei voi olla samanaikaisesti hyvin määriteltyä paikkaa sekä nopeutta. Esimerkiksi nopeuden mittaaminen aiheuttaa häiriöitä hiukkasen paikalle, eikä paikkaa voida sen vuoksi tarkkaan määrittää.

Aalto-yliopiston professori Mika A. Sillanpään vetämä, Suomen Akatemian Quantum Technology Finland - huippuyksikköön kuuluva tutkimusryhmä on nyt löytänyt tavan kiertää epätarkkuusperiaate. Tulokset julkaistaan perjantaina 7. toukokuuta arvostetussa Science-tiedelehdessä. Tutkijatiimiin kuului myös kokeen teoreettisen mallin kehittämisestä vastannut tutkijatohtori Matt Woolley South Walesin yliopistosta Australiasta.

Tutkijat käyttivät mittauksissa kahta rumpukalvoa, jotka ovat leveydeltään noin viidesosa hiuksen paksuudesta ja joita voidaan ajatella yhtenä värähtelijänä. Vaikka nanorummut ovat paljon yksittäisiä atomeita suurempia, ne saatiin kokeissa käyttäytymään kvanttimekaanisesti.

”Kahden rummun värähtelyt päätyvät kollektiiviseen kvanttitilaan, jossa ne värähtelevät vastakkaisissa vaiheissa siten, että kun toinen on liikkeen yhdessä ääripäässä, toinen on vastaavasti toisessa samalla ajanhetkellä. Tällaisessa tilanteessa rumpujen hetkellisen sijainnin kvanttimekaaninen epämääräisyys kumoutuu”, sanoo tutkijatohtori Laure Mercier de Lepinay Aalto-yliopistosta.

Tutkijat pystyivät siis häiriöttä mittaamaan samanaikaisesti rumpukalvojen paikan ja nopeuden – minkä ei Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen perusteella pitäisi olla mahdollista. Tämän ansiosta tutkijat voivat määrittää värähtelijään vaikuttavia erittäin heikkoja voimia.

”Toisella rummulla on siis ikään kuin negatiivinen massa, jolloin se vastaa kaikkiin voimiin, myös kvanttimekaanisiin, vastakkaisella tavalla”, Sillanpää sanoo.

Tutkijat käyttivät ideaa hyväkseen ja esittivät toistaiseksi vahvimman todisteen siitä, että suuret kappaleet voivat päätyä niin sanottuun lomittuneeseen kvanttitilaan. Lomittuneessa tilassa hiukkaset tai kappaleet jakavat toistensa ominaisuuksia tavalla, joka on arkijärjen vastaista. Lomittuminen on perusta käynnissä olevalle kvanttiteknologian läpimurrolle. Kvanttitietokone voi suorittaa esimerkiksi lääkkeiden kehityksessä tarvittavaa laskentaa paljon nopeammin kuin mikään koskaan rakennettavissa oleva supertietokone.

Suurehkoissa kappaleissa, kuten nyt tutkituissa värähtelevissä rumpukalvoissa, kvanttimekaaniset ilmiöt tuhoutuvat hyvin herkästi ympäristön häiriöiden vaikutuksesta. Mittaukset suoritettiinkin hyvin matalissa lämpötiloissa, eli asteen sadasosan päässä absoluuttisesta nollapisteestä, -273 asteesta.

Tulevaisuudessa tutkimusryhmä käyttää näitä ideoita ja menetelmiä laboratoriotutkimuksissa, joissa pyritään selvittämään kvanttimekaniikan ja painovoiman yhteyttä. Värähtelevät kvanttirummut voivat olla myös sopivia kvanttiteknologiassa yhdistämään kvanttitietokoneita toisiinsa.

Tutkimuksessa on käytetty OtaNano-tutkimusinfrastuktuuria. Kansallinen ja avoin OtaNano tarjoaa korkeatasoisen kokeellisen ympäristön ja OtaNanon operoinnista vastaavat Aalto-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT.

Linkki artikkeliin