kvanttifysiikka

Video: Saisiko olla superkylmää kvanttifysiikkaa nanojääkaapissa?

Kvanttitietokoneeseen tarvitaan nanojääkaappi. Sellaisen tekemiseen ja paljon muuta nanotekniikkaan ja kvanttifysiikkaan liittyvää tutkimusta tehdään Aalto-yliopistossa akatemiaprofessori Jukka Pekolan tutkimusryhmässä.


Akatemiaprofessori Jukka Pekola Aalto-yliopistosta on puuhannut koko ikänsä lähellä absoluuttista nollapistettä, koska siellä tapahtuu kaikenlaista kiinnostavaa. Luonnonlait eivät heitä kärrynpyörää, mutta lait ovat erilaisia kuin arkisessa maailmassamme.

Siellä toimivat suprajohteet, eli materiaalit, joissa sähkövirta kulkee ilman olennaista vastusta. Ja siellä tapahtuu kvanttimekaanisia ilmiöitä: esimerkiksi systeemit voi olla samaan aikaan kahdessa eri tilassa, tai että toisistaan erilliset kvanttisysteemit voivat kytkeytyä toisiinsa. Siis vähän sama kuin nanokokoinen auto voisi olla samaan aikaan punainen ja sininen, ja yhden auton ratin kääntäminen saisi toisen auton kääntymään samanaikaisesti sadan kilometrin päässä.

"Kun aikaisemmin vain tutkimme näitä ilmiöitä, niin nyt olemme jo toisessa vaiheessa, missä käytämme hyväksi aitoja kvanttimekaanisia ilmiöitä", iloitsee Pekola ja ennustaa, että tällä alalla on tulossa paljon läpimurtoja lähivuosina – myös Suomessa, mutta tästä lisää myöhemmin.

Suomi on kylmä maa

Suomessa on pitkät perinteet hyvin kylmän ja siellä tapahtuvien ilmiöiden tutkimuksessa. Professori Olli Lounasmaa, suomalaisen fysiikan eräs suuruuksista, nosti silloisen TKK:n Kylmälaboratorion maailman huipulle ja onnistui tekemään useita kylmyysennätyksiä, eli jäähdyttämään laitteitaan erittäin lähelle absoluuttista nollapistettä.

Absoluuttinen nollapiste −273,15°C on kylmin mahdollinen lämpötila, koska silloin atomienkin liike jähmettyy paikalleen. Fyysikot alkavat lämpötilojen laskun tuosta pisteestä, eli nollasta Kelvinistä (0 K). Kylmyysennätys on edelleen Espoossa. Vuonna 2000 siellä saavutettiin lämpötila, joka oli vain 0,000 000 000 1° nollan yläpuolella.

Samaan aikaan kuitenkin Suomessa oli toinen kylmäfysiikan tutkimusryhmä, Jyväskylässä, ja Pekola oli siellä.

"Olen opiskellut ja aloittanut työni täällä Otaniemessä Olli Lounasmaan ryhmässä", kertoo Pekola. "Olin ensin 1980-luvun alussa diplomityöntekijänä ja sitten väitöskirjatutkijana. Aiheenani olivat ultramatalat lämpötilat, eli käytimme Helium-3 -nestettä ja tutkimme suprajohtavuutta siellä. Tämä oli tuolloin tärkeä tutkimusala ja tästä myönnettiin myös Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1996."

1990-luvun alkupuolella kiinnostus suuntautui laajemmin matalien lämpötilojen tutkimukseen. Siellä esimerkiksi lämpöliike pienenee ja siksi siellä tapahtuu paljon jänniä kvantti-ilmiöitä, joiden ymmärrettiin tarjoavan paljon mahdollisuuksia uudenlaisille mikro- ja nanovalmistustekniikoille.

"Suomalainen Mikko Paalanen oli ollut tuolloin tutkimassa näitä asioita Yhdysvalloissa kuuluisassa Bell-laboratoriossa, ja hän oli tulossa Suomeen. Hän sai professuurin Jyväskylän yliopistosta, missä haluttiin panostaa kylmä- ja nanotutkimukseen. Hän rekrytoi minut ryhmäänsä, joten lähdin Jyväskylään."

Pekola kertoo, miten he saivat tutkia Jyväskylässä muun muassa ensimmäisinä Suomessa yhden elektronin ilmiöitä, jäähdyttimiä, lämpömittareita. Ryhmästä tuli nanoelektroniikan ja nanofysiikan pioneereja Suomessa.

"Lämpömittarin kehittäminen oli ensimmäinen suuri innostukseni. Meillä oli kova halu tehdä yhden elektronin transistoreita, eli sellaisia mitä nyt tehdään täällä meidänkin laboratoriossa nyt ihan vasemmalla kädellä. Emme kuitenkaan onnistuneet siinä Jyväskylän yksinkertaisessa laboratoriossamme, mutta saimme tehtyä lämpömittarin. Se on vähän kuin köyhän miehen transistori, jossa on vain yksi elektroni. Nyt sellaisia käytetään nyt monissa paikoissa, koska se ei vaadi minkäänlaista kalibrointia."

Vuonna 2002 jo professoriksi edenneelle Pekolalle tarjottiin mahdollisuutta perustaa Aaltoon oma tutkimusryhmä, joten hän päätti palata Otaniemeen. Nyt hän johtaa Pico-nimistä ryhmää, joka jatkaa elektronien ja hyvin matalien lämpötilojen kanssa. Nykyisin tosin perustutkimuksen ohella superpakkasesta ja sen ilmiöistä koetetaan tehdä tylsää arkitekniikkaa.

Yksi hankkeista on nanojääkaappi. Se ei ole vielä lähelläkään arkikäyttöä, mutta sillä tai sen avulla kehitettävällä tekniikalla voisi olla paljon sovelluksia. Esimerkiksi kiihkeän kehityksen kohteena oleva kvanttilaskenta vaatii superkylmää ympäristöä, ja jos siitä joskus tulee tavallista, se vaatii sitä, että lähellä absoluuttista nollaa olevia lämpötiloja on joka puolella – ei vain tutkimuslaitoksissa.

Tunneloitumistemppu, ja miten se tehdään

"Tämä nanojääkaappi lähti liikkeelle ihan perustutkimuksesta. Olimme kiinnostuneita energian kuljetuksesta pienissä nanorakenteissa. Lämmönkuljetus on erittäin tärkeä asia jopa ihan tavallisissa mikropiireissä, joissa lämpö täytyy saada siirtymään ulos. Erityisen tärkeää tämä on kvanttilaitteissa, missä lämpö pitää saada siirtymään paikasta toiseen, jolloin voidaan tehdä täsmäjäähdytystä."

Yksinkertaistettuna nanojääkaappi toimii siten, että "siirrämme kappaleesta pois kaikkein kuumimpia elektroneja, jolloin se jäähtyy." Periaate on sama kuin kahvin jäähdyttäminen puhaltamalla: puhallus siirtää höyryä sivuun kahvikupista, jolloin kuumimmat kaasumolekyylit kahvin päällä lentävät pois ja viileämpiä atomeja jää jäljelle.

Tarkennusta kysyessä Pekola antaa suorat ohjeet nanojääkaapin tekemiseen; ihan kotioloissa sen nikkarointi ei kuitenkaan onnistu. "Teemme puhdastilassa monikerroksisia metallirakenteita nanomittakaavassa litografisesti. Ikään kuin piirrämme elektronimikroskoopilla kuvioita muovipintaan ja sitä voidaan käyttää maskina, kun pinnalle höyrystetään metallia. Tuloksena on noin kymmenen nanometrin, metrin miljardisosan kokoisia rakenteita. Kun tätä toistetaan monta kertaa päällekkäin eri metalleilla ja maskeina toiminut muovi lopulta poistetaan, saadaan haluttu kolmiulotteinen nanorakenne."

Metallien väliin voidaan myös laittaa eristekerroksia, joiden läpi sähkö kulkee ainoastaan tunneloitumalla. Tunneloituminen tarkoittaa sitä, että hiukkanen voi läpäistä potentiaalivallin, jonka ylittämiseen sillä ei klassisen fysiikan mukaan olisi riittävästi energiaa. Sähköstaattinen potentiaalivalli syntyy siitä, että materiaali tai sen ominaisuus vaihtuu.

"Jos käytetään hyvin tavallisia, tunnettuja materiaaleja kuten vaikkapa alumiinia tai kuparia, niin osa niistä muuttuu suprajohteiksi hyvin matalissa lämpötiloissa, toiset pysyvät tavallisina. Alumiini on suprajohde noin yhden kelvinin lämpötilassa ja kylmemmässä."

Suprajohtavassa materiaalissa sähkövirta kulkee käytännössä ilman vastusta, mutta lisäksi materiaaliin muodostuu niin sanottuja energia-aukkoja. Sen sisällä on elektronien kannalta kiellettyjä tiloja samalla tavalla kuin puolijohteissa on energia-aukkoja.

"Hiukkaset, jotka sattuvat osumaan energia-aukon kohdalle, eivät pääse tunneloitumaan, mutta ne, jotka ovat yläpuolella, pääsevät tunneloitumaan. Tämä saa aikaan sen, että energiaa siirtyy normaalimetallista suprajohteen puolelle."

Jääkaappien tekeminen on nykyisin varsin perustekniikkaa, ja siksi kiinnostavampaa onkin niiden variaatioiden ja sovellusten kehittäminen. Yksi näistä on kvanttitietokoneiden lämmönsiirtoon liittyvät ongelmat, jotka pitää ratkaista ennen kuin laitteet saadaan kunnolla käyttöön.

"Tämän suhteen meillä on varsin hullu ajatus käyttää tietokoneen perustana olevia laskentayksiköitä, kubitteja sinällään lämpövoimakoneina. Voisimme kontrolloida kubittien tilaa ulkoisesti ja tehdä siten niiden avulla perinteisistä jäähdyttimistä tuttuja monivaiheisia jäähdyttimiä. Mutta näidenkin kanssa ollaan vielä kaukana tuotteistamisesta – jäähdytys on kuitenkin tärkeä osa tutkimustamme."

Tuloksena myös jo arkitekniikkaa

"Yleensä ajatellaan, että kylmäfysiikka ja matalien lämpötilojen parissa puuhaaminen on jotain eksoottista puuhaa, mutta tästä on tullut jo ihan teollisuuttakin Suomessa", jatkaa Pekola. Hän mainitsee, että suomalaisyritys BlueFors Cryogenics Oy valmistaa muun muassa erittäin yksinkertaisesti käytettäviä jäähdyttimiä millikelvin-alueelle.

Kun perinteisesti kylmäfysiikan laboratorioissa on paljon nesteheliumpulloja, koska matala lämpötila saadaan aikaan nestemäisellä heliumilla, ei niitä enää tarvita. BlueForsin laitteissa on kompressori, joka kierrättää heliumia, jonka avulla saadaan aikaan perustoimintalämpötila.

 

"Se on iso muutos paitsi tutkimuksen, niin myös sovellusten kannalta, koska helium on kallista, pullojen käsittely on hankalaa ja nesteheliumin kanssa lotraaminen vaatii aina erikoisjärjestelyjä. Kun superkylmää saa aikaan töpselin seinään laittamalla, niin se on ollut pieni vallankumous. Nyt näitä laitteita käytetään joka puolella - ja tässä Suomi sekä Kylmälaboratorio ovat olleet tässä tiennäyttäjänä.

Seuraavaksi samaa tekniikkaa pitäisi soveltaa vielä erittäin haastaviin ja pieniin kohteisiin. Esimerkiksi avaruussovelluksissa tarvittaisiin jäähdytyslaitteita, jotka toimisivat sähköisesti, eikä niissä tarvittaisi suuria nesteheliumsäiliöitä. Niiden tulisi olla lisäksi avaruuden ja avaruuteen laukaisun olosuhteet kestäviä, helppokäyttöisiä ja kevyitä. Samoin muuallakin kuin kvanttilaskennassa tarvitaan hyvin pieniä jäähdyttimiä, jotka toimisivat yksinkertaisesti siten, että niihin liitetään jännite.

Eräs lupaava sovellusala on kvanttimekaaniset sensorit. Suomessa tehdään jo nyt paljon erilaisia sensoreita, ja kun tähän teollisen skaalan toimintaan yhdistetään osaaminen suprajohtavuudessa, kylmätekniikan tietotaito ja hyvä infrastruktuuri hankalien rakenteiden tekemiseen, voi Suomesta tulla kvanttimekaanisten sensorien tekemisessä varsin suuri tekijä.

Veri vetää laboratorion puolelle

Pekolan Pico-ryhmä ei ole mikään suuri, sillä siinä on hieman yli tusinan verran jäseniä. Ryhmä on ollut aikanaan isompikin, mutta Pekolan mukaan se oli hankalasti hallittava. Nyt ryhmään kuuluu kaksi senioritutkijaa, muutama tohtoritutkija ja puolen tusinaa jatko-opiskelijoita.

"Tällaisessa työssä on paljon erilaisia osaamisalueita. Tarvitaan teoreetikoita, ja niitä, jotka ovat näppäriä rakentamisessa. Ryhmänjohtamisen rikkaus on se, kun näkee erilaisia ihmisiä joilla on erilaisia taitoja, ja voi sitten tukea heidän urakehitystään myös jatkoa ajatellen."

"Haluan olla itse mukana oikeassa työssä ja oletan, että myös opiskelijoiden kannalta tilanne on parempi, koska joskus näkevät myös minua labrassa." Pekola tosin mainitsee monessa yhteydessä, että käytännön kokeiden tekeminen ja teorian yhdistäminen on hänelle tärkeää. "Siinä ei ole mitään mieltä, että vain räplää kokeiden kanssa, jos ei ymmärrä tarkalleen, mitä tapahtuu. Asioiden teoreettinen selittäminen on myös tärkeää, ja se on aina innostanut minua."

Eräs tällainen – jo pitkään Pekolan päässä pyörinyt – teoriaa ja käytännön tekemistä yhdistävä asia on sähkövirran standardin kehittäminen. Ideana on pyrkiä liikuttamaan elektroneja yksi kerrallaan samanlaisten rakenteiden läpi siten, että elektronien liikkeet kontrolloidaan ulkoisella jännitteellä.

"Minulla oli jo kymmenkunta vuotta sitten idea siitä, miten tämä voitaisiin saada hyvinkin tarkaksi, mutta se ei ole vielä edennyt sille tasolle, että se saataisiin metrologiassa hyväksytyksi virtastandardiksi. Olemme kuitenkin jo hyvin lähellä, ja tästä myös poikii koko ajan uutta tutkimusta."

Kvanttimaailmassa olisi paljon muutakin tekemistä, kuten esimerkiksi täysimittaisen kvanttitietokoneen rakentaminen. Siihen Pekolan mukaan Suomessa ei ole yksinkertaisesti rahkeita, joskin proof-of-concept –tyyppisen tutkimuksen kautta tässäkin työssä saadaan aikaan tärkeitä tuloksia.

"Lounasmaalta opin sen, ettei kannata tehdä työtä sellaisella alalla, minkä parissa maailmalla on jättimäisiä tutkimusryhmiä. On parempi löytää oma erikoisala, mihin pienikin ryhmä voi jättää jälkensä. Luulen, että olemme onnistuneet tässä aika hyvin."

Pekola kiittelee myös akatemiaprofessuuriaan siitä, että hän voi keskittyä varsin hyvin tutkimusryhmänsä johtamiseen ja myös tutkimukseen. "Tämä on tärkeää, sillä olen edelleen hyvin innostunut fysiikasta. Siinä riittää loputtomasti jännittävää tutkittavaa!"

*

Juttu on julkaistu ensin Suomen Akatemian nettisivuilla. Kirjoittaja on Tiedetuubin päätoimittaja ja tehnyt jutun Suomen Akatemian tilauksesta.

Arkijärjen vastaiset kvanttiarvet voisivat tuottaa uudenlaisia transistoreita

Ma, 12/12/2016 - 11:56 Toimitus

Tampereella kehitetty uudenlainen kvanttifysiikan arpeutumisteoria auttaa selittämään aiempia tuloksia ja osoittaa jälleen kerran sen, että vaikka kvanttimekaniikka tuntuu usein toimivan arkijärjen vastaisesti, se kuitenkin toimii. Ja hyvin.

Tutkijatohtori Perttu Luukko ja professori Esa Räsänen Tampereen teknillisestä yliopistosta tutkivat paikallisten häiriöiden vaikutusta nanomittakaavan puolijohderakenteisiin, ja huomasivat suureksi yllätyksekseen, että häiriöt tuottivatkin säännöllisiä rakenteita kvanttimekaanisiin ominaistiloihin.

Löytöä alettiin pähkäillä yhteistyössä Harvardin yliopiston, Massachusettsin teknillisen yliopiston – kuuluisan MIT:n – ja Tulanen yliopiston tutkijoiden kanssa, ja tulokset julkaistiin marraskuun lopussa Scientific Reports -artikkelisarjan numerossa.

Tarkempi tutkimus paljasti, että kyseessä on uudenlainen esimerkki kvanttiarpeutumisesta eli ilmiöstä, jossa klassisen mekaniikan mukaiset jaksolliset liikeradat jättävät jäljen vastaavan kvanttimekaanisen järjestelmän käyttäytymiselle keskeisiin niin kutsuttuihin ominaistiloihin. Häiriöiden aiheuttamat arvet ovat tavanomaista yleisempiä ja voimakkaampia, mikä raottaa ovea myös sovelluksille.

Erikoista häiriöiden aiheuttamassa arpeutumisessa on, että voimakkaita arpia muodostuu kosolti, vaikka häiriöt olisi ripotettu järjestelmään satunnaisesti.

"Arkijärjellä ajateltuna satunnaisten häiriöiden ei pitäisi tuottaa säännöllisyyttä, vaan sen vastakohtaa, satunnaista puuroa", Perttu Luukko kertoo.

"Kvanttimekaniikan ja klassisen mekaniikan välinen yhteys voi saada järjestelmän kuitenkin suosimaan säännöllisiä, klassisen fysiikan mukaisia muotoja. Tämä on hyvä uutinen sovelluksille, koska säännöllisen radan voi valjastaa käyttöön paljon helpommin kuin satunnaisen puuron, Koska arvet toimivat hiukkasten liikettä ohjaavina kanavina, aiheuttamalla arpeutumista paikalliset häiriöt vaikuttavat kvanttimekaanisten hiukkasten kulkeutumiseen yllättävällä tavalla. Tietokonesimulaatioissa hiukkasta esittävä kvanttimekaaninen aaltopaketti pysyy, arpien avustamana, paremmin radallaan kulkiessaan häiriöitä sisältävän järjestelmän läpi kuin ilman häiriöitä."

"Kvanttimekaniikka on totuttu yhdistämään monenlaisiin arkijärjen nyrjäyttäviin ilmiöihin. Nyt tähän listaan voidaan lisätä se, että hiukkaset saattavat seurata tiettyä rataa paremmin, kun niiden tielle on asetettu satunnaisesti esteitä."

Arpien hiukkasia ohjaava vaikutus saatetaan tulevaisuudessa valjastaa sovelluksiin, joissa nanomittakaavan laitteen sähkönjohtavuutta voimistetaan ja kontrolloidaan luomalla järjestelmään paikallisia häiriöitä. Yhtä lailla ilmiö saattaa jo nyt vaikuttaa paikallisia häiriöitä sisältävien kvanttijärjestelmien käyttäytymiseen, ja siten vastalöydetty teoria saattaa auttaa selittämään jo olemassa olevia tuloksia.

Luukon ja Räsäsen mukaan tie käytännön sovelluksiin on vielä pitkä, mutta se on valtaisasti lyhyempi nyt kuin ennen arpeutumisen teorian paljastamista. Tutkimusta laajennetaan nyt esimerkiksi kvanttipisteisiin, joista arpia hyödyntämällä voidaan suunnitella uuden sukupolven transistoreita.

Juttu on Tampereen yliopiston tiedote hieman editoituna.

Lyhyesti: mikä ihme on Kiinan uusi kvanttisatelliitti?

To, 08/18/2016 - 10:52 Jari Mäkinen

Kiina laukaisi viime tiistaina 16. elokuuta avaruuteen maailman ensimmäisen "kvanttisatelliitin". Pieni, noin 600 kg massaltaan oleva Micius -niminen satelliitti on kokeellinen laite, jonka tarkoituksena on testata täydellisesti salattua "kvanttitietoliikennettä" kahden vuoden ajan. Satelliitti pääsi uutisiin ympäri maailman, mutta harva juttu on kertonut mistä oikeastaan on kyse.

Olennaisin asia on kvanttifysiikassa oleva lomittumisen käsite, eli se, että kaksi tai useampi hiukkasta tai muuta vastaavaa atomaarista systeemiä voi vaikuttaa toisiinsa hyvin kiinnostavalla tavalla. Kun yhden hiukkasen olotilaa muutetaan, niin tämä vaikuttaa myös toisen hiukkasen tilaan samanaikaisesti, jopa pitkän etäisyyden päässä.

Kvanttifysiikka on tavallisen, arkipäiväisen fysiikan osa-alue, joka kuvaa luonnon toimintaa atomien kokoluolassa. Siellä klassinen fysiikka ei toimi, vaan mukana on koko joukko omituiselta tuntuvaa todennäköisyyslaskentaa. Hiukkaset voidaan esittää paitsi kappaleina, pienenpieninä hitusina, niin myös aaltoina, eli hankalasti hahmotettavana etenevänä värähtelynä.

Tunnetuin kvanttifysiikan jännä ilmiö on ns. Schrödingerin kissa, eli fyysikko Erwin Schrödingerin löytämä ilmiö, jonka mukaan hiukkanen voi olla kahdessa eri tilassa aina siihen saakka, kunnes sitä havaitaan. Hän vertasi hiukkasta kissaan, joka on laatikossa, mutta emme tiedä onko se elävä vai kuollut, ennen kuin avaamme laatikon – joka puolestaan saattaa aiheuttaa kissan kuoleman.

Toinen omituisuus on Werner Heisenbergin keksimä epätarkkuusperiaate, jonka mukaan hiukkasen paikkaa ei voida koskaan tuntea hyvin, jos sen nopeus voidaan havaita. Ja päinvastoin: jos voidaan sanoa tarkasti missä hiukkanen on, niin sen nopeutta ei voida saada selville.

Kolmas kummallisuus on tunneloituminen, eli hiukkaset voivat jopa tunkeutua esteen läpi, vaikka niiden ei pitäisi. Outoa, mutta näin tapahtuu koko ajan, ja esimerkiksi puolijohde-elektroniikassa tämä on tuttu ilmiö.

Ja sitten on tämä lomittuminen. Sitä, että kaksi hiukkasta kaukana toisistaan voivat käyttäytyä täsmälleen samalla tavalla, on kutsuttu myös teleportaatioksi: siinähän tieto kappaleesta siirretään kokonaisuudessaan toisaalle.

Ensimmäisen kerran tämän onnistui tekemään kahdella hiukkasella Anton Zeilinger Wienin yliopistolla 1990-luvulla. Hiukkaset olivat Tonavan eri rannoilla, ja kun yhtä kutitettiin, niin toinen alkoi hihittää, vaikka niiden välillä ei ollut mitään yhteyttä.

Sen jälkeen sama koe on tehtiin myös Kanarian saarilla, jolloin 144 kilometrin etäisyydellä toisistaan kahdella observatoriolla olleet fotonit käyttäytyivät täsmälleen samalla tavalla. Nyt lomittumista tutkitaan rutiininomaisesti lähes kaikkialla maapallolla – ja osin tätä ennen jo avaruudessakin, sillä vuonna 2007 italialainen tutkimusryhmä onnistui siirtämään yksinkertaista kvanttitietoa japanilaisen satelliitin kautta. 2600 kilometrin korkeudessa ollut Ajisai-satelliitti "vain" heijasti laservaloa takaisin.

Ongelmana on se, että kunnollisessa lomituskokeessa hiukkaset täytyy ensin tuottaa samanaikaisesti samassa paikassa, ja siirtää sen jälkeen kauas toisistaan. Tähän saakka hiukkasina on käytetty fotoneita, ja ne on siirretty valokuitua pitkin. Valokuidussa kuitenkin signaali heikkenee nopeasti, ja vaikka käytössä olisi erinomaisia vahvistimia, lopulta on tuloksena pelkkää mössöä, mistä ei alkuperäistä fotonia saa irti.

Siksi ajatuksena oli käyttää satelliittia ja itse asiassa Zeilinger ehdotti jo viitisen vuotta sitten Euroopan avaruusjärjestölle tällaisen kvanttitietoliikennesatelliitin koeversion tekemistä. Se osoittautui hankalaksi ja kalliiksi, koska satelliitissa pitää olla mukana varsin monimutkainen optinen laitteisto.

Nyt Zeilinger on mukana kiinalaishankkeessa yhdessä pekingiläiskollegansa (entisen kilpailijansa) Jian-Wei Panin kanssa, ja tarkoituksena on koettaa yhteyttä satelliitilla Pekingin ja Wienin välillä. Hyvä taustajuttu tästä julkaistiin jo vuonna 2012 Naturessa.

Lomittumisen onnistuminen satelliitin kautta ei ole varmaa, koska nyt ilmakehä ja satelliitin nopeudesta johtuvat suhteellisuusteoreettiset ilmiöt voivat haitata liikaa yhteyttä.

Kryptografiaa!

Lomittumista on tutkittu varsin paljon siksi, että yksi sen sovelluksista on kvanttikryptografia, kvanttisalaus. Lähettettävän viestin avainkoodi siirretään lomittumisen avulla paikasta toiseen, jolloin viesti voidaan siirtää perinteisesti salaten.

Kvanttisalausta pidettiin pitkään murtumattomana salauksena, koska jokainen urkkimisyritys olisi muuttanut systeemiä niin, että lähetys ei olisikaan avautunut ja vakoilu olisi paljastunut saman tien. Nyt tämäkin on onnistuttu murtamaan, mutta silti kvanttisalaus on paras tällä hetkellä tiedossa oleva viestin salausmenetelmä.

Jos et ymmärtänyt ihan täysin mistä on kyse, niin ei haittaa: fyysikotkaan eivät ole ihan kärryillä.

"Meillä on teoria, joka kuvaa luontoa erinomaisen täydellisesti, ja voimme nähdä luonnon toimivan juuri niin, mutta emme vieläkään ymmärrä, mitä luonto haluaa näyttää meille", sanoi Zeillinger jokunen vuosi sitten kirjoittajan kanssa jutellessaan.

"Minulla on koko ajan se tunne, että meidän pitäisi ymmärtää yleinen konsepti paremmin. Matemaattisesti ymmärrämme asian hyvin."

Kiinalaisten satelliittikoneen avulla kenties ymmärrämme asian pian paremmin. Sen jälkeen kvanttitietokoneiden tekeminen on helpompaa ja kenties pian Star Trek -tyylinen teleportaatiokin saadaan toimimaan...

Alla on varsin hyvä selitys salaamisesta ja kvanttisalauksesta (sori, englanniksi):

Kuinka tyhjä on tyhjiö?

Ma, 10/05/2015 - 15:06 Markus Hotakainen
Tyhjiön kvanttifluktuaatioita

Kvanttifysiikan mukaan ei kovinkaan tyhjä. Werner Heisenbergin 1920-luvulla kehittämän epätarkkuusperiaatteen mukaan sähkö- ja magneettikentät eivät koskaan voi samanaikaisesti kadota tyystin. 

Siksi jopa "täydellisessä" tyhjiössä ja pilkkopimeässä tapahtuu pieniä sähkömagneettisia fluktuaatioita, joiden ansiosta tyhjiö ei ole täydellinen.

Suoraa havaintoa tästä vähäisestä väreilystä on pidetty mahdottomuutena, joten tutkijat ovat joutuneet tyytymään epäsuoriin mittauksiin, esimerkiksi virittyneistä atomeista lähtevän spontaanin emission ja alkuräjähdyksen seurauksena syntyneiden maailmankaikkeuden rakenteiden tarkasteluun.

Konstanzin yliopistossa on nyt onnistuttu tekemään mahdottomasta mahdollista. Alfred Leitenstorferin johtama tutkijaryhmä on pystynyt mittaamaan tyhjän avaruuden perustilan ominaisuuksia.

"Huipputarkkuuden ansiosta pystyimme havaitsemaan ensimmäisen kerran, että meitä ympäröivät kaiken aikaa sähkömagneettisten tyhjiöfluktuaatioiden kentät", toteaa Leitenstorfer.

"Mittauksessamme oli tieteellisesti yllättävää ja kiehtovaa, että pystyimme tarkastelemaan suoraan kvanttijärjestelmän perustilaa muuttamatta sitä."

Yksi kvanttifysiikan ongelmia ja samalla perusasioita on, että hiukkasmaailman mittakaavassa mittaukset vaikuttavat mitattaviin asioihin.

Tyhjiön fluktuaatioita voidaan ajatella kvanttikentän värähtelynä, jonka jakauma on satunnainen. Se muuttuu kaiken aikaa, mutta saadut lukemat värähtelyjen voimakkuudesta kasvavat, kun mittauksessa käytetty aikaväli ja matka pienenevät.

 

 

Kokeessa tyhjiön sähkömagneettisten kenttien luotaamiseen käytettiin hyvin lyhyitä valopulsseja. Mittalaitteisto rakentui elektro-optisesta kiteestä, joka oli sijoitettu kahden kullalla päällystetyn paraboloidipeilin väliin. 

Peilien avulla laajakaistaiset "valokentät" keskitettiin ja säteenjakajan avulla ainoastaan femtosekunnin eli sekunnin tuhannesbiljoonasosan mittaiset valopulssit yhdistettiin kvanttikenttiin. Laitteiston tarkkuutta rajoittivat enää ainoastaan kvanttifysikaaliset tekijät. 

Tutkimuksesta kerrottiin Konstanzin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuvat: University of Konstanz

 

Saisiko olla hiukkasia vai aaltoja? Kyllä kiitos!

Ke, 03/04/2015 - 09:17 Markus Hotakainen

110 vuotta sitten Albert Einstein oivalsi, että valon erikoiset ominaisuudet johtuvat sen kaksinaisesta luonteesta: valo on sekä aaltoja että hiukkasia.

Kun säteily lankeaa metallipinnalle, se irrottaa atomeista elektroneja. Einsteinin selitys tälle "valosähköiselle ilmiölle" toi hänelle vuonna 1921 Nobelin palkinnon, ei suinkaan suhteellisuusteorian kehittäminen.

Valon ja ylipäätään sähkömagneettisen säteilyn kaksoisluonne tulee esiin monissa yhteyksissä ja runsaan vuosisadan aikana molemmat ominaisuudet on pystytty havaitsemaan useilla eri tavoilla. 

Aiemmin ei kuitenkaan ole saatu näkyviin sekä aalto- että hiukkasluonnetta yhtä aikaa. Lausannen teknillisessä korkeakoulussa (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) on nyt saatu napattua kuva, jossa näkyvät molemmat valon ominaisuudet.

Kokeessa laserpulssi ammuttiin metalliseen nanolankaan, jolloin siinä olevat varatut hiukkaset alkoivat värähdellä. Lankaan syntyi seisova aalto, joka puolestaan sai langan lähettämään ympärilleen säteilyä.  

Sen jälkeen lankaan suunnattiin elektronisuihku. Kun elektronit osuivat langan säteilemään valoon, niiden nopeus kiihtyi tai hidastui. Elektronimikroskoopin avulla onnistuttiin kuvaamaan kohta, jossa elektronien nopeus muuttui, jolloin saatiin näkyviin valonlähteenä toimiva seisova aalto. 

Samalla kun elektronit kulkivat seisovan aallon ohi, jotkut niistä osuivat säteilyhiukkasiin eli fotoneihin. Juuri se aiheutti elektronien nopeuden muuttumisen: elektronien ja fotonien välillä siirtyi energiaa tietynkokoisina paketteina, kvantteina. Näin samassa kuvassa näkyy myös valon hiukkasluonne.

Fabrizio Carbonen johtaman tutkijaryhmän mukaan koe osoittaa, että kvanttimekaniikan paradoksaalisia ominaisuuksia – kuten säteilyn olemus sekä hiukkasina että aaltoina – on mahdollista kuvata suoraan. Sillä on puolestaan merkitystä esimerkiksi kvanttitietokoneiden kehitystyön kannalta, sillä kokeen perusteella on mahdollista "nähdä" ja siten hallita kvantti-ilmiöitä nanomaailman mittakaavassa.

Kuvauksessa käytettiin EPFL:n huippunopeaa transmissioelektronimikroskooppia, joita on maailmassa ainoastaan kaksi. Tutkimuksessa olivat mukana myös Trinity College ja Lawrence Livermore National Laboratory. 

Tuloksista kerrottiin EPFL:n sivuilla ja ne julkaistiin Nature Communications -lehdessä 2. maaliskuuta.