Kvanttijärjestelmillä on syntymämerkki

Jopa kaoottisimmat kvanttijärjestelmät säilyttävät pysyvän merkin omasta menneisyydestään – "kvanttisyntymämerkin" – joka ei koskaan haalistu.

Tampereen ja Harvardin yliopistojen sekä TU Dresdenin tutkijat löysivät piirteen tuoreessa tutkimuksessaan.

Heidän löydöksensä valaisevat klassisen ja kvanttimekaniikan vaikeasti ymmärrettävää suhdetta. Tulevaisuudessa näitä kvanttisyntymämerkkejä ja niihin liittyviä ilmiöitä, joita kutsutaan "arviksi", voitaisiin lopulta valjastaa seuraavan sukupolven nanoelektroniikan voimanlähteeksi.

Tiputa pisara maitoa teekuppiin, eikä mikään määrä kupin tuijottamista kerro, mihin pisara laskeutui ensimmäisenä. Tämä teekupissakin esiintynyt kaaos on perusta suurelle osalle siitä, miten selitämme arkimaailmaa: lämpö leviää huoneeseen, savu täyttää ilman, flipperipallo kalisee pois paikalta, josta se ammuttiin.

Uusi tutkimus osoittaa, että kvanttimaailma – atomien ja elektronien maailma – ei noudata tätä sääntöä. Siellä varhaisimmatkin hetket jättävät jälkeensä jäljen, joka ei koskaan haalistu.

”Arkielämässä kaaos pyyhkii kaiken puhtaaksi. Havaitsimme, että kvanttijärjestelmät eivät pysty peittämään alkuperäänsä edes kaaoksen keskellä”, sanoo tohtori Joonas Keski-Rahkonen, tutkija Tampereen yliopiston laskennallisen fysiikan laboratorion Kvanttisäätö ja dynamiikka (QCAD) -ryhmässä ja yksi tutkimuksen pääkirjoittajista.

Tiimi työskenteli yhden fysiikan kunnioitettavimmista koeympäristöistä parissa: pallon, joka pomppi loputtomasti kaarevien stadionmaisen biljardipöydän ympärillä ja kimposi joka kerta uuteen suuntaan Jos palloa seuraa tarpeeksi kauan, se on käynyt pöydän joka osassa, eikä sen alkuperästä ole mitään vihjettä. Mutta kvanttiobjektit eivät käyttäydy kuten biljardipallot.

Kun tutkijat asettivat tällaisen kvanttiaallon (aaltopaketin) pöydälle, se sekoittui hetkessä täysin satunnaiseksi kuvioksi millä tahansa hetkellä. Silti tämän piirteettömän liikkeen keskiarvon laskeminen hyvin pitkien ajanjaksojen aikana paljasti selkeän vinouman järjestelmän omaa varhaista historiaa kohtaan: se pysyi ainakin kaksi kertaa todennäköisemmin alkuperäisessä tilassaan kuin missä tahansa muussa vastaavassa tilassa. Ja tämä osittainen luonne ei katoa. Se säilyy niin kauan kuin järjestelmä pysyy kvanttimuodossa.

Tulos yleistää ilmiön, joka on kiehtonut fyysikkoja neljän vuosikymmenen ajan. Vuonna 1984 Harvardin professori ja uuden tutkimuksen toinen kirjoittaja Eric Heller havaitsi, että kvanttijärjestelmissä on joskus yllättävän teräviä toistuvien polkujen jälkiä. Tätä "kvanttiarpeutumisena" tunnettua poikkeavuutta on pitkään pidetty harvinaisena poikkeuksena. Uusi työ osoittaa, että arpeutuminen on vain erikoistapaus jostakin universaalista: jokainen kvanttijärjestelmä kantaa syntymämerkkiä omista alkuajoistaan.

Keski-Rahkosen mukaan ryhmän tavoitteena on muuttaa tämä yleiseksi tavaksi kysyä, kuinka paljon omasta historiastaan kvanttijärjestelmä voi koskaan todella unohtaa.

"Tällä kaikella on merkitystä oppikirjafysiikan ulkopuolella. Se kertoo siitä, miten kvanttijärjestelmät asettuvat tasapainoon ja miten tuttu klassinen maailmamme syntyy kvanttimekaanisista säännöistä. Lisäksi kvanttisimulaattorit ja nanoskaalan elektroniikka ovat nykyään niin pieniä, että näillä vaikutuksilla on merkitystä. Esimerkiksi sillä on merkitystä, että järjestelmä, joka muistaa hiljaa lähtöpisteensä, käyttäytyy eri tavalla kuin sellainen, joka unohtaa", hän sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiarvesta nanokytkin tai transistori?