ɫɫ��

Teksti: Sedeer el-Showk

Fysiikassa kvantti on minkä tahansa asian pienin laskettavissa oleva yksikkö. Yleensä kvantilla kuitenkin viitataan kvanttimekaniikkaan eli valon tai sähkön kaltaisten ilmiöiden pienimpien ilmiöiden tutkimiseen. Pienimmässä mittakaavassa arkimaailman säännöt eivät päde, ja juuri tämä on kvanttiteknologioiden perusta, sanoo Aalto-yliopiston fysiikan professori Mika A. Sillanpää.

”On kvanttimekaniikka ja sitten on meidän arkinen maailmamme, jossa emme havaitse kvantti-ilmiöitä. Et esimerkiksi näe kahden kissan lomittuvan keskenään.”

Kvanttilomittumisella tarkoitetaan sitä, että erillisten kappaleiden ominaisuudet ovat yhteydessä toisiinsa ja muodostavat yhdessä määrittelemättömän tilan. Kahden kissan tapauksessa se voisi tarkoittaa esimerkiksi, ettei kumpikaan niistä voi yksin olla hereillä tai nukkua vaan hereillä oleminen tai nukkuminen on parivaljakon yhteinen ominaisuus – riippumatta kissojen välisestä etäisyydestä. Ominaisuus pysyy määrittelemättömänä siihen asti, että tarkistat toisen kissoista. Silloin näet, onko se hereillä vai nukkumassa, ja tiedät välittömästi, kumpi tila toisella kissalla on.

Kuulostaa mahdottomalta, mutta kvanttimaailmassa se on täysin tavallista.

Lomittuminen ja muut kvantti-ilmiöt häviävät helposti hiukkasten välisten vuorovaikutusten energian vaikutuksesta. Siksi kvanttitutkijat työskentelevät yleensä erittäin pienten ja erittäin kylmien järjestelmien kanssa. Mitä vähemmän hiukkasia on, sitä vähemmän niiden välillä on vuorovaikutuksia, ja matalammissa lämpötiloissa vuorovaikutukset ovat vähemmän energisiä.

Myös ”suuret” kappaleet voivat lomittua

Sillanpää on tutkimuksessaan halunnut venyttää kvanttitutkimuksen kokoluokkaa ja selvittää, voisiko lomittumisen kaltaisia ilmiöitä nähdä suuremmissa kappaleissa, jos kaikki tehdään tismalleen oikein.  

Vuonna 2018 hän teki ryhmänsä kanssa ennätyksen havaitsemalla lomittumisen suhteellisen suurten kappaleiden välillä – tässä tapauksessa suuri tosin tarkoittaa metrin sadastuhannesosia. Koe suoritettiin äärimmäisen kylmässä, vain muutaman asteen tuhannesosan päässä absoluuttisesta nollapisteestä Aalto-yliopiston �������ä�������ǰ����ٴǰ�����ssa, jossa on jo yli puoli vuosisataa tehty uraauurtavaa matalien lämpötilojen tutkimusta.  Ainutlaatuinen tulos herätti paljon kiinnostusta kvanttitutkijoiden piirissä.  

Sillanpää ei enää pyri venyttämään kokorajaa.

”En usko, että varsinaista kokorajaa on olemassa. Koon kasvaessa kokeista tulee kuitenkin koko ajan vaikeampia, ja kun kappaleet ovat riittävän suuria, kvantti-ilmiöitä ei enää havaita. Mitä siitä opimme? Emme oikeastaan kovin paljon”, hän sanoo.

Sen sijaan Sillanpää on ryhtynyt pienentämään mittakaavaa, jossa voidaan mitata toista fysiikan perustavanlaatuista ilmiötä: painovoimaa

Voidaanko pienten kappaleiden painovoimaa mitata?

Kvanttimekaniikka ja painovoima ovat molemmat perusteellisesti kokeilla testattuja teorioita. Kukaan ei ole kuitenkaan onnistunut yhdistämään niitä teoriaksi, joka toimisi sekä pienten mittakaavojen ilmiöiden että massiivisten kappaleiden kanssa. Tilannetta voisi verrata kahteen karttaan, jotka kuvaavat samaa aluetta eri mittakaavoissa mutta ovat keskenään ristiriidassa. Fyysikoilla on useita ajatuksia siitä, miten teoriat voitaisiin sovittaa yhteen, mutta niitä ei voida testata nykyteknologialla. Tutkijat ovat edelleen vuosikymmenten päässä siitä, että kvanttivaikutuksia ja painovoimaa voitaisiin mitata samanaikaisesti.

Sillanpään ryhmä luo perustaa, joka voisi jonain päivänä mahdollistaa kvanttigravitaation kokeellisen tutkimisen. Uudessa hankkeessa ryhmä pyrkii pienentämään mittakaavaa, jossa painovoimaa voidaan mitata.

”Ensimmäinen askel on havaita suhteellisen pienten massojen välinen gravitaatiovoima. Siinä ei ole vielä mitään kvanttimekaniikkaan liittyvää, mutta sekin on jo erittäin, erittäin vaikeaa”, hän sanoo.

Onnistuminenkin olisi vasta ensimmäinen askel hyvin pitkällä matkalla. Kokeissa käytetään kappaleita, jotka ovat noin kymmenen miljoonaa kertaa massiivisempia kuin lomittumiskokeissa.

”Tämä on tienraivausta kohti kvanttigravitaation kokeellista tutkimista, joka saattaa olla mahdollista vasta 10 tai 20 vuoden kuluttua”, Sillanpää sanoo.

Pitkät aikajänteet ovat Sillanpään tekemässä perustutkimuksessa tavallisia. Osa hänen kokeissaan käytettävistä teknologioista juontaa juurensa Aallossa 1970-luvulla tehtyyn tutkimukseen, joka loi pohjan myös ekosysteemille, joka nyt vauhdittaa kvanttiteknologian ja kvanttilaskennan kehitystä Aallossa. 

”Se, että tutkitaan jotain täysin uutta ja vaikeaa, motivoi ilman välittömiä sovelluksiakin”, Sillanpää sanoo.

Heliumpisara voi toimia maailmankaikkeuden mallina

Aallossa vanhempana tutkijana työskentelevän Vladimir Eltsovin tutkimusryhmä käyttää supranestemäisiä heliumipisaroita fysiikan monimutkaisimpien kysymysten tutkimiseen. Ryhmä työskentelee helium-3-supranesteiden kanssa. Niillä on hämmästyttävä ominaisuus: ne virtaavat ilman kitkaa kuin pyörre, joka ei koskaan pysähdy.

”Se on vain yksi mielenkiintoisista ominaisuuksista, jotka johtuvat siitä, että kyseessä on makroskooppinen kvanttisysteemi”, Eltsov sanoo. 

Senttimetrien kokoisissa pisaroissa on valtava määrä atomeja, jotka lomittuvat spontaanisti. Näin Eltsovin ryhmällä on käytössään järjestelmä, jossa kvantti-ilmiöt näkyvät ihmisen ymmärtämässä mittakaavassa.

”Voimme käyttää näitä järjestelmiä ymmärtääksemme luontoa kokonaisuutena, mukaan lukien maailmankaikkeutemme toimintaa.”

Eltsovin ryhmä käyttää Aallossa ainutlaatuista laitteistoa, jonka avulla supranestettä voidaan hallita lämpötilassa, joka on juuri ja juuri absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Muuntelemalla supranesteen rakennetta ja rajoittamalla sen liikettä tutkijat voivat luoda alueita, joissa syntyy outoja, hiukkasten kaltaisia rakenteita. Ne näyttävät noudattavan meille vieraita sääntöjä – käytännössä mallimaailmankaikkeuden sähkömagneettisia ja gravitaatiokenttiä. 

”Näissä järjestelmissä voimme kokeellisesti tutkia ja ymmärtää fysiikkaa pienimmistä merkityksellisistä mittakaavoista suurimpiin. Jotkut teoreetikot uskovat, että tämä tieto voisi auttaa ratkaisemaan myös oman maailmankaikkeutemme kvanttigravitaation ongelman”, Eltsov sanoo. 

”Tavallaan voimme luoda maailmankaikkeuksia, joissa on erilaiset fysiikan lait.”

Helium-3-supranesteet ovat yksi parhaista välineistä aikakiteiden valmistamiseen. Tavalliset kiteet ovat toistuvia rakenteita: kuin muoto, joka on painettu kerta toisensa jälkeen. Aikakiteissä sama tapahtuu ajan suhteen. Ne ovat prosesseja, joiden rytmi toistuu ikuisesti – kuin kello, joka on käynnistynyt itsestään ja jatkaa tikittämistä ilman paristoa.

”On ajateltu, että aikakiteiden pitkäkestoista koherenssia voitaisiin hyödyntää esimerkiksi kvanttimuistien valmistamisessa. Aikakiteet ovat kuitenkin erittäin hauraita”, Eltsov sanoo. Hauraudesta huolimatta hänen ryhmänsä on onnistunut valmistamaan aikakiteitä ja kytkemään ne ulkoisiin järjestelmiin. Tämä on ensimmäinen askel kohti niiden hyödyntämistä kvanttisensoreissa ja kvanttilaskennassa.

Suurempien ja vakaampien kvanttijärjestelmien rakentaminen on tärkeää, jotta niistä voidaan kehittää hyödyllisiä uusia teknologioita. Samalla niiden käyttäytymisen ja sen syiden ymmärtäminen voi auttaa vastaamaan joihinkin maailmankaikkeuttamme koskeviin suurimpiin kysymyksiin.

”Meitä motivoi toivo siitä, että voimme avata uusia tiedon rajoja”, Eltsov sanoo.