Nobel-fyysikot Helsingissä

Tämänvuotiset fysiikan Nobelin palkinnon jakaneet Serge Haroche ja David J. Wineland pitivät Helsingissä luennon lauantaina 15.12.2012. Palkinnon herrat vastaanottivat 10. joulukuuta Tukholman konserttitalossa.

Luennon aihe oli Particle Control in a Quantum World sillä Serge Haroche ja David J. Wineland ovat keksineet ja kehittäneet mittaus- ja manipulointitapoja yksittäisille hiukkasille niin, että niiden kvanttimekaaninen luonne säilyy.

Nodel-palkinnon myöntämisen perusteluina olivat ”mullistavat kokeelliset menetelmät, jotka mahdollistavat yksittäisten kvanttisysteemien mittauksen ja manipuloinnin”.

Vielä jokunen vuosikymmen sitten kvanttimaailman suorien mittausten ajateltiin olevat mahdottomia sillä yksittäisiä hiukkasia ei voi helposti eristää ympäristöstään ja ne menettävät kvanttiominaisuutensa heti, kun ne ovat vuorovaikutuksessa ulkomaailman kanssa.

Harochen ja Winelandin kehittämien laboratoriomenetelmien ja tutkimusryhmiensä avulla he ovat onnistuneet mittaamaan ja hallitsemaan hyvin hauraita kvanttitiloja.

David Wineland kaappaili sähköisesti varautuneita atomeja tai ioneja sekä hallitsi ja mittaili niitä valolla tai fotoneilla. Winelandin laboratoriossa sähköisesti varautuneet hiukkaset pidetään ansan sisällä sähkökentän avulla sekä eristetään ympäristölämmöstä ja säteilystä tyhjiöllä ja suorittamalla kokeet alhaisissa lämpötiloissa.

Serge Harochella on toisenlainen lähestymistapa. Hän ohjaa ja mittaa loukkuun saatuja mikroaaltofotoneja, lähettämällä jättimäisiä Rydbergin atomeja ansan läpi.

Lähelle absoluuttista nollalämpötilaa jäähdytetty ansa perustuu suprajohtavasta materiaalista valmistettuihin peileihin. Niiden heijastuksissa yksittäinen fotoni voi poukkoilla onkalossa melkein kymmenesosa sekunnin ajan ennen kuin se menetetään tai absorboituu.

Palkittujen menetelmät ovat mahdollistaneet ottaa ensimmäiset askeleet rakentaa kvanttifysiikkaan perustuva tietokone. Yhtenä ratkaisuna on nähty ioniansan soveltaminen ja Wielandin ryhmä onkin ensimmäisenä maailmassa demonstroinut kvanttioperaatioita kahdella kvanttibitillä (1995).

Käytännössä kvanttitietokoneen rakentaminen on silti valtaisa haaste. Siinä täytyy toteuttaa kaksi vastakohtaista vaatimusta. Kubitit täytyy erottaa ympäristöstään niin, että niiden tila ei tuhoudu ja toisaalta niiden täytyy kuitenkin pystyä myös kommunikoimaan ulkomaailman kanssa, jotta laskennan tulokset voidaan lukea.