PDF Basket
Kvanttimekaniikan avulla on perinteisesti kuvattu alkeishiukkasten, atomien ja molekyylien käyttäytymistä. Ei ole kuitenkaan mitään syytä, miksi klassisen mekaniikan alaan kuuluvat suuremmat kappaleet eivät noudattaisi samoja sääntöjä.
Tämä tarkoittaisi, että nämä kappaleet voisivat käyttäytyä samojen, Einsteinin haamumaisiksi kuvaamien käyttäytymismallien mukaan. Näihin kuuluu lomittuminen, joka tarkoittaa sitä, että kaksi toisistaan etäällä olevaa kappaletta lomittuu yhteen tavalla, joka haastaa klassisen fysiikan ja arkijärjen mukaisen todellisuuskäsityksemme.
”Fysiikan kaikkein tyypillisimpiä klassisia järjestelmiä ovat massiiviset liikkuvat kappaleet, joten ne ovat ensisijainen kohde etsiä kvanttipotentiaalia makroskooppisesta maailmasta”, EU:n rahoittaman ja Euroopan tutkimusneuvoston tukeman CAVITYQPD-hankkeen koordinaattori Mika Sillanpää kertoo. ”Vaikka tämä on ollut tavoitteena jo kauan, kokeiden haasteet ovat asettaneet merkittäviä esteitä.”
Tutkimusryhmä käytti erikoismenetelmiä, joilla pystyttiin tekemään herkkiä kvanttimittauksia. He pystyivät yhdessä toisen ryhmän kanssa osoittamaan ensimmäisen kerran, että pienet mekaaniset resonaattorit – halkaisijaltaan vain 15 mikronia, mutta atomikooltaan valtavia – voidaan saattaa lomittuneeseen kvanttitilaan.
”Lomittuminen on erittäin hauras tila, ja sitä on havaittu aiemmin lähinnä mikroskooppisissa järjestelmissä, kuten valossa tai atomeissa, ja viime aikoina suprajohtavissa virtapiireissä”, Mika Sillanpää hanketta vetäneestä Aalto-yliopistosta selittää.
Kvanttisuhteet klassisessa maailmassa
CAVITYQPD-hankkeessa mikromekaaniset resonaattorit, tässä tapauksessa pienet, värähtelevät, alumiinista piisirulle valmistetut rumpukalvot, esittivät massiivisia liikkuvia kappaleita. Näiden kappaleiden liikkeet noudattavat yleensä klassisen fysiikan sääntöjä: kappale, kuten heiluri, liikkuu tilassa ja ajassa ennustettavissa olevalla tavalla.
”Nykypäivän yhteiskunta on riippuvainen mikromekaanisista resonaattoreista, koska niitä on kaikessa elektroniikassa. Siinä niiden luotettavat, ennustettavat ja tarkat värähtelyt toimivat suorittimille eräänlaisena kellona”, Sillanpää jatkaa.
Hankkeen tarkoituksena oli selvittää, voitaisiinko kahden mikromekaanisen resonaattorin välinen lomittuminen saada aikaan ja havaita samalla tavalla kuin kahden atomijärjestelmän välinen lomittuminen.
Mikromekaanisia resonaattoreita on monentyyppisiä, mutta CAVITYQPD-hankkeessa niistä kehitettiin omat versiot. Malleja testattiin puhdastilaolosuhteissa ja lisäksi tietokonesimulaatioilla.
Lomittuminen saatiin aikaan asettamalla värähtelevät mikromekaaniset resonaattorit pieneen laitteeseen, joka tunnetaan onteloresonaattorina. Laitteessa mikromekaaniset resonaattorit saatetaan lomittuneeseen tilaan käyttämällä suprajohtavaa mikroaaltopiiriä. ”Kun lomittuminen saavutetaan, mikromekaaniset resonaattorit värähtelevät synkronoidusti, mikä voidaan havaita mikroaaltojen emissioissa. Se toimii meille suorana todisteena siitä, että lomittuminen on onnistunut”, Sillanpää selittää.
Onnistuneen lopputuloksen saavuttamiseksi kokeet suoritettiin lähellä absoluuttista nollapistettä olevassa lämpötilassa, joka on −273 °C.
Kvanttihyppy tekniikassa?
Monet yritykset ja tutkimuslaitokset panostavat parhaillaan kvanttitekniikkaan, ja lomittumisella on tärkeä merkitys kvanttitekniikkaan perustuvassa tietojenkäsittelyssä.
Mikromekaaniset resonaattorit voivat tarjota kvanttipohjaisen rajapinnan arkipäivän maailman ja kvanttitietokoneiden kiinteiden kubittisuorittimien välille. Tämä lisäisi laskennallisen kapasiteetin määrää huomattavasti nykytasosta. CAVITYQPD-hankkeen tutkimusryhmä pystyi ensimmäisten joukossa yhdistämään mikromekaanisen resonaattorin suprajohtavaan kubittiin eli kvanttitiedon perusyksikköön.
Jatkossa voitaisiin edetä siten, että kubittitieto muutetaan fotoneiksi mekaanista resonaattoria käyttämällä. Tämä mahdollistaisi pitkien etäisyyksien päässä olevien kvanttitietojen verkottamisen valokuituverkkojen avulla. ”Rajapinta, joka yhdistää kiinteät kubitit optisiin signaaleihin, tarjoaa paljon mahdollisuuksia myös kvanttilaskennan ulkopuolella, kuten herkät kvanttianturit, joilla voidaan mitata esimerkiksi gravitaatioaaltoja”, Sillanpää sanoo.
Tutkimusryhmä aikoo perehtyä seuraavaksi erittäin kunnianhimoisiin kvanttifysiikan alueisiin, joita tunnetaan toistaiseksi heikosti. Näitä ovat esimerkiksi kvanttimekaniikan ja painovoiman vuorovaikutuksen tarkka luonne sekä Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria.
”Kyllä, aihepiirit ovat hyvin kunnianhimoisia, mutta tutkimisen arvoisten aiheiden kuuluukin näyttää etukäteen vähän pelottavilta”, Sillanpää toteaa lopuksi.
Video in English
https://www.youtube.com/watch?v=I6d4Ib1QKU8