Lähes ihmisen hiuksen levyiset rumpukalvot on onnistuttu saamaan haamuvuorovaikutukseen keskenään. Lomittumiseksi kutsuttu kvanttimekaaninen ilmiö on nyt havaittu ensi kertaa makroskooppisen kokoisissa objekteissa.

Aalto-yliopiston johtaman tutkimuksen tulokset on julkaistu keskiviikkona arvovaltaisessa Nature-lehdessä.

Albert Einstein totesi vuonna 1935, että kvanttimekaniikan lait sallisivat haamuvuorovaikutuksen toisistaan kaukana olevien alkeishiukkasten tai kappaleiden välillä.

Myöhemmin ilmiö nimettiin lomittumiseksi. Siinä hiukkaset vaikuttavat toisiinsa mielivaltaisten etäisyyksien päästä ilman suoraa vuorovaikutusta. Tämä on arkijärjen ja klassisen fysiikan teorioiden vastaista.

Lomittuminen on kuitenkin kiistattomasti havaittu alkeishiukkasille suoritetuissa mittauksissa.

Ilmiö on luonut perustan kvanttiteknologioiden, muun muassa kvanttitietokoneiden kehittämiselle. Niiden odotetaan lähivuosikymmeninä mullistavan tietojenkäsittelyn ja tietoliikenteen.

Erilaiset ympäristön häiriöt, etenkin lämpöliike, rikkovat lomittumisen erittäin herkästi.

Kvanttifysiikan tutkimuksessa onkin pitkään ajateltu, ettei haamuvuorovaikutusta voi esiintyä atomeja tai molekyylejä suurempien kappaleiden välillä.

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Mika Sillanpään johtama tutkijaryhmä on kuitenkin nyt osoittanut toisin.

Tutkijat onnistuivat laboratoriomittauksissaan saamaan kaksi lähes paljaalla silmällä havaittavaa, liikkuvaa kappaletta lomittuneeseen kvanttitilaan, jossa ne tuntevat toisensa haamuvuorovaikutuksen välityksellä.

Miten saitte lomittumisen aikaan, Mika Sillanpää?

”Menetelmässä värähtelevät kappaleet saadaan lomittuneeseen kvanttitilaan suprajohtavan, mikroaaltotaajuisen antennin avulla. Sähkömagneettiset kentät toimivat alustana, joka imee rumpukalvojen liikkeestä lämpöhäiriöitä ja jättää jäljelle heikot kvanttimekaaniset värähtelyt”, selittää professori Mika Sillanpää Tekniikan Maailmalle.

”Kokeissa käytettiin kahta värähtelevää rumpukalvoa, joka on valmistettu alumiinista piisirulle. Atomien kokoon verrattuna rummut ovat makroskooppisia, leveydeltään ohuen hiuksen paksuisia.”

”Alumiini on vain 100 nanometrin paksuista. Se on suprajohtavaa, mikä pienentää häiriöitä.”

”Ympäristön häiriöiden eliminointi on mittauksissa ensiarvoisen tärkeää. Siksi ne suoritettiin hyvin matalassa lämpötilassa: lähellä absoluuttista nollapistettä −273,15 °C.”

Mikä tekee onnistumisestanne merkityksellistä?

”1980-luvulla haamuvuorovaikutukseen saatiin jo fotoneja. Myöhemmin se on onnistunut joidenkin elektronien ja joskus kaasujen kanssa. Mutta ensimmäistä kertaa saimme makroskooppiset kappaleet lomittuneeseen tilaan, jossa niiden välillä on haamuvuorovaikutus.”

”Rumpukalvot saatiin pysymään mittauksissa lomittuneessa kvanttitilassa huomattavan pitkän ajan, jopa puoli tuntia. Alkeishiukkasille tehdyissä mittauksissa lomittuminen on kestänyt vain sekunnin murto-osia.”

”Olemme kyenneet nyt hallitsemaan lähes arkielämän mittakaavan kokoisten kappaleiden kaikkein hienovaraisimpia fysikaalisia ominaisuuksia.”

”Todellinen kvanttitietokone saadaan aikaan ehkä 20 vuoden kuluttua. Sen jälkeen ne on kytkettävä toisiinsa kvantti-internetiksi. Haamuvuorovaikutuksen synnyttämä linkki vaaditaan siihen.”

Miten haamuvuorovaikutuksen voisi ymmärtää?

”On joskus sanottu, että kvanttimekaniikkaa ei voi ymmärtää. Osaamme kuvata luontoa äärimmäisen tarkasti kvanttimekaniikan avulla, mutta toisaalta emme tiedä, miksi luonto noudattaa näitä.”

Tulevaisuudessa lomittuneita rumpukalvoja voi käyttää kvanttiteknologiaa hyödyntävissä laitteissa esimerkiksi reitittiminä tai herkkinä antureina. Ne voivat myös edistää perustutkimusta kvanttimekaniikan ja painovoiman huonosti ymmärretystä yhteydestä.

Miten lomittumista voidaan hallita sovelluksissa, kun se on näin herkkä rikkoutumaan?

”Se on hyvä kysymys. Ympäristöhäiriöitä on vähitellen opittu minimoimaan. Mutta edelleen lomittuminen vähänkään monimutkaisemmilla systeemeillä vaatii matalia lämpötiloja. Teknologia kehittyy tässäkin, mutta kvanttitietokonetta ei kyllä saada koskaan huonelämpötilaan.”

Mikä on saanut sinut kiinnostumaan kvanttimekaniikasta?

”Luonnon toiminnan tarkkailu on aina kiinnostanut minua. Nyt sitä on päässyt labrassa ihmettelemään.”

Yliopiston tiedotteessa Aalto-yliopiston tutkijatohtori Caspar Ockeloen-Korppi, joka on artikkelin pääkirjoittaja kertoo, että seuraavaksi tutkijat aikovat yrittää mekaanisten kvanttitilojen teleportaatiota.

Hänen mukaansa olette vielä melko kaukana Star Trekistä, vai oletteko?

”Fyysisen kappaleen teleportaatio ei ole mahdollista. Mutta haamuvuorovaikutus mahdollistaa kvanttiteleportaation, jossa hiukkasen tai kappaleen kvanttitila, siis oikeastaan kaikki informaatio hiukkasesta, siirretään mielivaltaisen kauaksi. Se on alkeishiukkasilla osoitettu.”

”Jos on kaksi lomittunutta kappaletta ja toista niistä mitataan, sen kvanttitila romahtaa. Samalla määräytyy myös toisen kappaleen tila.”

”Haamuvuorovaikutus luo ikään kuin linkin, jota voidaan käyttää informaation levittämiseen. Tämä on linjassa suhteellisuusteorian kanssa, koska kvanttiteleportaatio vaatii lopuksi myös klassista informaation välitystä.”

Onko lomittuminen kaukovaikutusta?

”Kokeellisesti on todistettu, että lomittuminen on kaukovaikutusta. Sitä emme tiedä, minkä takia luonto tällaista noudattaa.”

Mitkä ovat kvanttimekaniikan tulevaisuuden näkymät?

”Kvanttilaskenta on tulossa ja kvanttitietokoneiden internet tarvitaan. Tämä on tärkeä askel, kun saimme makroskooppiset kappaleet lomittuneeseen tilaan. Ne eivät karkaa laboratoriosta niin kuin fotonit. Kohtuullisen suuret kappaleet pystymme kytkemään yhteen.”

Työhön osallistui tutkijoita Aalto-yliopiston lisäksi Uuden Etelä-Walesin yliopistosta Canberrasta Australiasta, Chicagon yliopistosta Yhdysvalloista ja Jyväskylän yliopistosta. He kehittivät alkuperäisen teoreettisen idean kokeessa käytetystä menetelmästä.

Mittauksissa käytettiin Otaniemen mikro- ja nanoteknologian kansallisen tutkimusinfrastruktuurin OtaNano-laitteistoja.