Kvanttikietoutuminen avaa oven uusiin maailmoihin

Kvanttiteorian oikusta on tullut yksi fyysikkojen kuumimmista puheenaiheista.

Fyysikkojen keskuudessa vallitsi viime vuosisadan alkupuoliskolla laaja yksimielisyys siitä, että klassisen mekaniikan selitysvoima ei yksin ole riittävä. Makrotasolla tilannetta korjasi Albert Einstein esittämällä 1905 erityisen suhteellisuusteorian ja 1915 yleisen suhteellisuusteorian. Mikromaailman ilmiöitä selittämään kehitettiin uusi teoria, kvanttimekaniikka. Kvanttimekaniikka syntyi useiden fyysikkojen yhteisponnistuksena. Teorian kulmakivet olivat valmiit 1930-luvulla.

Pian kuitenkin havaittiin, että kvanttimekaniikassa oli merkillisiä piirteitä, eikä uuden teorian seurauksia ollut helppo hyväksyä.

– Kvanttikietoutuminen askarrutti fyysikoita jo kvanttimekaniikan alkuaikoina.  Aluksi kvanttikietoutuminen koettiin ongelmallisena teorian oikkuna. Sen nähtiin johtavan lähes paradoksaalisiin seurauksiin eikä ollut varmuutta, onko ilmiö todellinen, tutkija Teiko Heinosaari Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitokselta kertoo.

Ilmiötä alettiin kuitenkin vähitellen ymmärtää paremmin ja se todennettiin kokeellisesti.

– Filosofisissa seurauksissa riittää tosin vieläkin pureskeltavaa.

Lomittuneet tilat muodostavat kokonaisuuden

Kvanttikietoutuminen on fysikaalinen ilmiö, joka liittyy kahden tai useamman kvanttisysteemin tilaan.

– Kvanttisysteemin tilaa voidaan ajatella luettelona systeemin kaikista muuttuvista ominaisuuksista. Tällaisia muuttuvia ominaisuuksia ovat esimerkiksi hiukkasen paikka ja nopeus.

Kvanttikietoutuminen on kvanttisysteemien tiloja koskeva ominaisuus, jossa tilat lomittuvat keskenään. Lomittunutta paria on tarkasteltava kokonaisuutena. Kahden hiukkasen tilat pysyvät lomittuneina vaikka ne vietäisiin kauas toisistaan. Lomittuneissa tiloissa hiukkaset jakavat ominaisuutensa keskenään.

Omalakinen mikromaailma

Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana kvanttifyysikoiden kiinnostus ilmiötä kohtaan on kasvanut. Kvanttikietoutuminen on tunnistettu yhdeksi kvanttiteorian keskeisimmistä asioista. Fyysikoita kiinnostavat toisaalta kvanttikietoutumisen tarjoamat sovellukset, toisaalta taas filosofiset kysymykset fysikaalisen todellisuuden luonteesta.

– Kvanttikietoutuminen haastaa ymmärryksemme fysikaalisesta todellisuudesta. Arkiajattelun käsitykset todellisuuden luonteesta eivät päde mikromaailmassa, Heinosaari sanoo.

Informaatio liikkumaan tehokkaammin

Teorian epämiellyttävästä oikusta on sukeutunut tärkeä resurssi, joka avaa oven täysin uudenlaisiin fysikaalisiin sovelluksiin. Kvanttikietoutumista voi verrata energian kaltaiseen hyödykkeeseen. Lomittuneita systeemejä voidaan käyttää moneen eri tarkoitukseen. Useimmat sovellusalueet liittyvät informaation välittämiseen tai salaamiseen.

Eräs fyysikoiden löytämä sovellus on niin sanottu super dense coding, joka mahdollistaa suuren informaatiomäärän välittämisen aiempaa pienemmässä tilassa.

– Aamulla Liisa ja Kalle jakavat lomittuneen parin kvanttihiukkasia. Sitten he lähtevät omille teilleen. Liisa haluaa myöhemmin lähettää Kallelle viestin ja lähettää hänelle kvanttihiukkasensa. Koska Liisan ja Kallen hiukkaset ovat lommituneet, pystyy Liisa lähettämään yhden hiukkasen mukana saman verran informaatiota kuin kaksi hiukkasta antaisi, Heinosaari havainnollistaa.

Kvanttikietoutumista voidaan hyödyntää myös mittauksissa

– Hyväksikäyttämällä lomittunutta kvanttitilaa voidaan mittalaite kalibroida erittäin tehokkaalla tavalla.

teksti: Jussi Matikainen
kuvat: Matthias Weinberger, Jussi Matikainen

Teksti on lisensoitu Creative Commons Nimeä 1.0 Suomi -lisenssillä.

Julkaistu 18.05.2011 15:31, päivitetty 19.05.2011 18:15