Veijo Hänninen

Kvanttimittauksia ja lomittumisia

Kun tavoitellaan kvanttitekniikoiden käyttöönottoa, täytyy mittaus- ja tutkimustekniikoiden olla näitä tavoitteita syvemmällä.

Yksi kvanttimaailman silmiinpistävistä seikoista on, että hiukkanen, esimerkiksi elektroni, on myös aalto, mikä tarkoittaa, että se on olemassa monissa paikoissa samanaikaisesti.

Uudessa tutkimustyössä Weizmann Institute of Sciencen tutkijat hyödyntävät tätä ominaisuutta kehittäessään uudentyyppistä työkalua – kvanttikiertomikroskooppia (QTM). Sen avulla voi luoda uusia kvanttimateriaaleja ja samalla katsella niiden elektronien perustavanlaatuista kvanttiluonnetta.

Kahden atomisesti ohuen materiaalikerroksen kiertämisestä toistensa suhteen on viime vuosina tullut merkittävä löytöjen lähde. Yleensä kahden kerroksen kiertäminen uuteen kulmaan vaatii aina uuden koepalan tekemisen.

Kierrettävä linssi kvanttimateriaaleille

"Alkuperäinen motivaatiomme oli ratkaista tämä ongelma rakentamalla systeemi, joka pystyi jatkuvasti kiertämään mitä tahansa kahta materiaalia toistensa suhteen ja tuottamaan helposti äärettömän valikoiman uusia materiaaleja", sanoo ryhmän johtaja, professori Shahal.

"Kuitenkin systeemiä rakentaessamme huomasimme, että siitä voidaan tehdä myös erittäin tehokas mikroskooppi, joka pystyy näkemään kvanttielektroniikka-aaltoja tavoilla, joita ei ennen voinut kuvitella."

Skannaava tunnelimikroskooppi lukee atomiterävällä neulalla materiaalin pintaa ja rakentaa vähitellen kuvan näytteen elektronien jakautumisesta mutta vain yhdestä paikasta kerrallaan. Joten sillä näkee elektronit hiukkasina ja aaltoluonnetta voi tulkita vain epäsuorasti.

Mutta nyt Weizmannin tutkijoiden työkalulla voi visualisoida kvanttielektronisia aaltoja suoraan.

"Trikki kvanttiaaltojen näkemiseen on havaita sama elektroni eri paikoissa samaan aikaan", sanoo Alon Inbar, paperin johtava kirjoittaja. "Mittaus on käsitteellisesti samanlainen kuin kuuluisa kaksoisraon koe mutta nyt se tapahtuu uudenlaisen pyyhkäisymikroskoopin kärjessä.

"Mikroskooppimme antaa tutkijoille uudenlaisen "linssin" kvanttimateriaalien ominaisuuksien tarkkailuun ja mittaamiseen", sanoo Jiewen Xiao, toinen johtava kirjoittaja.

Weizmann-tiimi on jo soveltanut mikroskooppiaan useiden keskeisten kvanttimateriaalien ominaisuuksien tutkimiseen huoneenlämmössä ja valmistautuu nyt tekemään uusia kokeita muutaman Kelvinin lämpötiloissa, joissa tiedetään tapahtuvan joitakin jännittävimmistä kvanttimekaanisista vaikutuksista.

Kvanttimaailmaan syvälle katsominen voi auttaa paljastamaan perustotuuksia luonnosta. Tulevaisuudessa sillä voi myös olla valtava vaikutus uusiin teknologioihin. QTM tarjoaa tutkijoille pääsyn ennennäkemättömään kirjoon uusia kvanttirajapintoja sekä uusia "silmiä" kvantti-ilmiöiden löytämiseen niissä.

Lomittuminen luo mittaustarkkuutta

Tunnistavat verkot saavuttavat suuremman tarkkuuden kvanttilomittumisen avulla

Argonne National Laboratoryn Q-NEXT-kvanttitutkimuskeskuksen tutkijat osoittavat, kuinka luodaan kvanttilomitettuja atomikellojen ja kiihtyvyysantureiden verkkoja – ja he osoittavat asennuksen ylivertaisen, erittäin tarkan suorituskyvyn.

Ensimmäistä kertaa tutkijat ovat lomittaneet atomeja käytettäviksi verkotettuina kvanttiantureina, erityisesti atomikelloina ja kiihtyvyysantureina.

Tutkimusryhmän kokeellinen järjestely tuotti erittäin tarkat ajan ja kiihtyvyyden mittaukset. Verrattuna samanlaiseen kokoonpanoon, joka ei perustu kvanttilomittumiseen, niiden aikamittaukset olivat 3,5 kertaa tarkempia ja kiihtyvyysmittaukset 1,2 kertaa tarkempia.

Tutkimuksen suorittivat tutkijat Stanfordin yliopistosta, Cornellin yliopistosta ja DOE:n Brookhaven National Laboratorysta.

"Lomittumisen vaikutuksena tässä kokoonpanossa oli se, että se tuotti paremman anturiverkon suorituskyvyn kuin olisi ollut saatavilla, jos kvanttilomittumista ei käytetty resurssina", sanoi Mark Kasevich, artikkelin johtava kirjoittaja. "Meidän esittelymme on uraauurtava atomikelloille ja kiihtyvyysantureille."

Mitä on kvanttilomittuminen?

Lomittuminen, luonnon erityinen ominaisuus kvanttitasolla, on kahden tai useamman esineen välinen korrelaatio. Kun kaksi atomia lomittuu, voidaan mitata molempien atomien ominaisuuksia tarkkailemalla vain yhtä. Tämä pätee riippumatta siitä, kuinka pitkä etäisyys erottaa lomittuneet atomit.

Hyödyllinen jokapäiväinen analogia: Punainen marmori ja sininen marmori laitetaan laatikkoon. Jos vedät laatikosta punaisen marmorin, tiedät toisen olevan sininen ilman, että sinun tarvitsee katsoa toista. Marmorien väri korreloi tai lomittuu.

Kvanttimaailmassa lomittuminen on hienovaraisempaa. Atomi voi saada useita tiloja (värejä) kerralla. Jos marmorimme olisivat kuin atomeja, jokainen marmori olisi sekä punainen että sininen samanaikaisesti. Kumpikaan ei ole täysin punainen tai sininen, kun se on laatikossa. Kvanttimarmori "päättää" värinsä vasta paljastumishetkellä. Ja kun vedät yhden marmorin "päätetyn" värin, tiedät sen lomittuneen kumppanin värin.

Lomittuneen parin yhden jäsenen mittaaminen tarkoittaa käytännössä molempien samanaikaista lukemista.

Joten: Kaksi lomittunutta kelloa vastaa käytännössä yhtä kelloa, jossa on kaksi näyttöä. Lomittuneilla kelloilla tehdyt ajanmittaukset voivat olla tarkempia kuin kahdesta erillisestä, synkronoidusta kellosta tehdyt mittaukset.

Atomikellojen ja kiihtyvyysantureiden suurempi herkkyys johtaisi tarkempiin ajanotto- ja navigointijärjestelmiin, kuten globaaleissa paikannusjärjestelmissä, puolustuksessa ja yleisradioviestinnässä käytettäviin. Ultratarkkoja kelloja käytetään myös rahoituksessa ja kaupankäynnissä.

Uudenlaista kvanttilomittumista

Yhdessä uusimmissa tutkimuksissa ydinfyysikot ovat löytäneet tavan kurkistaa atomiytimien syvimpiin syvennyksiin. On löydetty uudenlainen kvanttilomittuminen, joka antaa tutkijoille mahdollisuuden vakoilla atomiytimiä.

Löytö tehtiin käyttämällä Brookhaven National Laboratoryn Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) -laitteistoa, joka pystyy törmäyttämään kultaioneja lähes valon nopeudella. Se johti uudenlaisen kvanttilomittumisen löytämiseen.

Lomittuminen on yksi määrittelevistä ominaisuuksista, joka tekee kvanttimekaniikan niin erilaiseksi kuin fysiikka, joka normaalisti tapahtuu ympärillämme", sanoo Daniel Brandenburg, tutkimuksen toinen kirjoittaja ja fysiikan professori Ohion osavaltion yliopistossa.

Uusi tutkimus paljasti kvanttilomittumisen muodon, joka osoittaa, että kaikenlaiset hiukkaset voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, mikä johtaa erilaisten olemusten interferenssiin.

"Olemme saaneet erilaisia hiukkasia interferoitumaan ensimmäistä kertaa, vaikka aiemmin ihmiset luulivat, ettei se ole mahdollista kvanttimekaniikassa", Brandenburg sanoo. Tutkijat käyttivät törmäyskonetta kuin suurta 3D-digitaalikameraa seuratakseen valon avulla hiukkasia, jotka pakenivat laitteiston keskeltä atomien törmäyksen jälkeen ja ottivat korkearesoluutioisia, kaksiulotteisia kuvia, aivan kuten PET-skannausta voidaan käyttää ihmiskehossa tapahtumien muutoksien kuvaukseen ja mittauksiin.

Menettelyn avulla tutkijat pystyivät kartoittamaan atomiytimien sisäisen gluonien järjestelyn protoneissa ja neutroneissa. Näiden vuorovaikutukset tuottivat subatomisen hiukkasen eli pionin jonka mittauksilla tutkijat pystyivät näkemään atomiytimien sisälle aivan uudella tavalla.

"Pelaamalla näitä kvanttimekaanisia temppuja voimme saavuttaa tarkkuuden, jonka ei pitäisi muuten olla mahdollista", Brandenburg sanoo. "Tämä tarkkuus antoi meille mahdollisuuden nähdä yksittäisessä kultaytimessä, missä protonit ja neutronit sijaitsevat."

Tämä uusi tulos tehtiin osittain Brandenburgin noin kaksi vuotta sitten tekemän löydön ansiosta, nimeltä Breit-Wheeler-prosessi, joka kertoo kuinka valo voidaan muuttaa aineeksi ja antimateriaaliksi. Tämän edellisen löydön fysiikkaan pohjautuen ryhmä pystyi näkemään ytimen sisälle asteikolla kymmenesosasta sadasosaan yksittäisen protonin koosta.

"Se on hämmästyttävän pieni", sanoi Brandenburg. Löydökset voivat lopulta auttaa edistämään tutkimusta useilla aloilla kvanttilaskennasta astrofysiikkaan, hän sanoi.

Maaliskuu 2023