Kvanttifysiikan ilmiöitä tutkitaan Turun yliopistolla myös kokeellisesti

Hiljattain fysiikan Nobel-palkinnon saaneet Alain Aspect, John F. Claseur ja Anton Zeilinger saivat tunnustuksen lomittuneilla fotoneilla tehdyistä kokeista, jotka osoittivat Bellin epäyhtälön rikkoutumisen. Lomittuneita fotoneita tutkitaan ja opetetaan myös Turun yliopistossa.

Kvanttifysiikka on mikroskooppisen maailman kohteiden teoriaa. Kun klassisessa fysiikassa selitetään makroskooppisen eli paljain silmin nähtävän maailman ilmiöitä, kvanttifysiikassa keskitytään pitkälti pieniin hiukkasiin. Fotoni on yksittäinen, äärimmäisen pieni valohiukkanen, jolla ei ole massaa eikä sitä voi pysäyttää. Lomittuminen taas on kvanttifysiikan ilmiö, joka kuvaa kahden hiukkasen tai muun kvanttisysteemin ominaisuutta.

- Lomittuneessa tilassa esimerkiksi kaksi fotonia voivat olla toisistaan etäällä ja niiden voisi ajatella olevan erillisiä, mutta lomittuneena niiden välillä voidaan havaita yhteys pitkänkin matkan päästä. Näin ollen ne ovat samaa systeemiä, mutta eivät ole kuitenkaan vuorovaikutteisessa suhteessa, selittää kvanttifysiikan tutkija Teiko Heinosaari.

Vaikka tutkittaisiin molempia lomittuneen parin kvanttisysteemejä, kokonaisuutta ei silti tunnettaisi.

- Klassinen ajatus on, että jokin on osiensa summa. Kvanttifysiikassa tämä ei päde, sillä emme tiedä koko systeemiä, kvanttioptiikan tutkija Tom Kuusela toteaa.

Turun yliopistolla kvanttioptiikan laboratoriossa on kvanttioptiikan laitteisto, joka oli tiettävästi Suomen ensimmäinen. Nykyään vastaavanlaisia on muuallakin. Laitteisto mahdollistaa kvanttifysiikan ilmiöiden tutkimisen myös kokeellisesti.

Kuusela hyödyntää laitteistoa opetuksessaan ja kvanttifysiikan ilmiöiden tutkimuksessa. Laitteistossa lomittuneet fotonit eli valohiukkaset ovat metrin päässä toisistaan. Periaatteessa ne voisivat olla tuhansien kilometrien päässä toisistaan, eikä se muuttaisi tilannetta mitenkään, sillä hiukkaset tietävät toistensa olemassaolosta.

- Kun fotonit ovat kietoutuneessa tilassa, se on hauras ominaisuus. Vaikka fotonit voivat olla lomittuneena kaukana toisistaan, niitä ei voida kiskoa miten tahansa, Kuusela painottaa.

- Olemme oppineet hahmottamaan aika-avaruutta niin, että jos erotamme kaksi kappaletta toisistaan kauaksi, ne todella ovat erillään toisistaan. Kvanttimaailmassa tämä on epäolennaista. Jos hiukkaset on tehty lomittuneiksi, niitä ei haittaa, vaikka ne viedään erilleen, Heinosaari toteaa.

Opiskelijat pääsevät kvanttifysiikan kokeelliseen maailmaan harjoituskurssilla, jonka aikana opiskelijat tekevät seitsemän harjoituskoetta.

Ensimmäisessä kokeessa lähdetään liikkeelle siitä, onko fotoni olemassa. Myöhemmissä harjoitustöissä tarkastellaan lähemmin muun muassa fotonin ominaisuuksia.

Lomittumista testataan harjoituskurssilla Bellin epäyhtälön kautta, joka on teoreettisen fysiikan ytimessä. Jos mitataan esimerkiksi kahta fotonia kahdessa mittauspaikassa, ja kerätään tiedot mittaustuloksista, huomataan, että on mahdotonta, että niillä olisivat olleet nämä ominaisuudet jo olemassa. Bellin epäyhtälö osoittaa, että systeemin ominaisuudet toteutuvat vasta mittaustapahtumassa.

- On hyvin luontaista ajatella, että ominaisuus on jollakin kappaleella olemassa, vaikka en sitä mittaisi. Kvanttifysiikan maailmassa tämä ei enää päde, ja Bellin epäyhtälön avulla tätä voidaan testata, Kuusela toteaa.

Vaikka usein kvanttifysiikka keskittyy pieniin hiukkasiin, joita ei paljaalla silmällä voi nähdä, ei ole poissuljettua, että tutkittavana olisi isompiakin objekteja.

- Usein kuitenkin pienten hiukkasten tutkiminen on käytännöllisempää, Kuusela toteaa.

Erityisesti mittaus ja havaitsija ovat olennaisia osia kvanttifysiikassa.

- Klassisessa fysiikassa voidaan puhua esimerkiksi siitä, kuinka pallo heitetään ja niin edelleen, mutta mitään ei mainita mittaamisesta. Kvanttifysiikkaa ei voi esittää samalla tavalla, sillä mittaus on olennainen osa teoriaa, Heinosaari kertoo.

Kvanttifysiikassa liikutaan siis fysiikan ytimessä. Ennen kaikkea alaan kuuluu mittaamisen pohtiminen sen kannalta, mitä se ylipäätään tarkoittaa.

- Keskeistä on miettiä, mitä informaatiota systeemistä saadaan, ja onko ominaisuus ennen mittausta ja sen jälkeen. Makroskooppisessa maailmassa näitä ei tarvitse miettiä. Jos uskotaan, että objektilla on paino ja se mitataan vaa’alla, ajatellaan, että paino on mittauksen jälkeenkin, Kuusela kertoo.

- Kvanttifysiikan keskeinen ajatus on, että emme voi mitata muuttamatta systeemiä. Mittaus on teorian sisäänrakennettu ominaisuus, ja siksi niin olennainen osa sitä, Heinosaari toteaa.

Teksti ja kuvat: Ainoliina Leskelä