Kvanttirajoja hätistellen

Kvanttifysiikan parissa on pitkään ajateltu, ettei lomittumista voi esiintyä atomeja tai molekyylejä suurempien kappaleiden välillä.

Aalto-yliopiston professori Mika Sillanpään johtama tutkijaryhmä on kuitenkin nyt osoittanut saaneensa kaksi lähes paljaalla silmällä havaittavaa, liikkuvaa kappaletta lomittuneeseen kvanttitilaan, jossa ne tuntevat toisensa haamuvuorovaikutuksen välityksellä. Kokeissa käytettiin kahta värähtelevää, alumiinista piisirulle valmistettua rumpukalvoa.

”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 Mika Sillanpää.

Mittaukset tehtiin lähellä absoluuttista nollapistettä −273,15 °C ja rumpukalvot saatiin pysymään lomittuneessa kvanttitilassa jopa puoli tuntia. Alkeishiukkasille tehdyissä mittauksissa lomittuminen on kestänyt vain sekunnin murto-osia.

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

Työhön osallistui tutkijoita Aalto-yliopiston lisäksi University of New South Wales Canberrasta, University of Chicagosta sekä Jyväskylän yliopistosta.

Arkansasin, Wisconsin ja Dartmouthin yliopistojen tutkijoista koostunut ryhmä on puolestaan kehittänyt uuden menetelmän yksittäisten fotonien eli valohiukkasten havaitsemiseksi käyttäen kvanttipisteitä.

Yksittäisen fotonin havaitseminen on keskeinen tekijä kvantti-informaation kehityksessä. Tekniikalla olisi myös muita sovelluksia, kuten biologiset ja lääketieteelliset kuvaukset, spektroskopia ja tähtitieteelliset havainnot.

Kvantti-informaatio käyttää hiukkasten eri kvanttitiloja, kuten polarisaatiota tai vaihtetta, koodaamaan informaatiota. Koska se ei rajoitu ykkösiin ja nolliin, tekniikka voi siirtää suurenkin määrän informaatiota turvallisesti.

Kun yksittäinen fotoni siirtyy ilmaisimeen, sen vaikutus on niin pieni, että sitä on vaikea havaita. Muut fotonilmaisimien mallit ratkaisevat ongelman käyttämällä vyörytoimista valodiodia virran tai jännitteen vahvistamiseksi, mutta tämä lähestymistapa yleensä lisää havaitsemisen viivettä ja lisää taustakohinaa.

Uudessa lähestymistavassa tutkijat käyttävät kvanttipistettä yksittäisten fotonien havaitsemiseksi. Muihin menetelmiin verrattuna yksittäisen fotonin aiheuttama jännitteen muutos tässä ilmaisimessa on suuri ja sillä on alhainen taustakohina.