Turun yliopistoon Suomessa ainutlaatuinen kvanttioptiikan laitteisto
19.12.2012
Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitokselle on hankittu Suomen ensimmäinen kvanttioptiikan laitteisto. Laitteistolla voidaan tuottaa polarisaatiokietoutuneita fotoneja. Näin laitoksella voidaan jatkossa kokeellisesti varmistaa eräitä kvanttimekaniikan keskeisimpiä ilmiöitä.
Dosentti Tom Kuusela (vas.) esitteli vastaanottojuhlassa Turun yliopiston uutta hankintaa, jolla voidaan tuottaa kietoutuneita fotonipareja.
Uusi laitteisto auttaa sekä kvanttifysiikan perusteiden oppimista että alan tutkimusta. Dosentti Tom Kuuselan mukaan Turussa voidaan laitteiston avulla tuoda teoriaopetuksen rinnalle kokeellinen oppiminen.
- Laitteisto tulee aluksi opetuksen tueksi. Tähän asti olemme voineet opettaa opiskelijoille näitä kvanttimekaanisia ilmiöitä paljolti vain teoriassa. Jatkossa opiskelijat voivat itse tehdä mittauksia. Myöhemmin laitteistoa käytetään myös tutkimustyössä, Kuusela sanoo.
Laitteiston vastaanottojuhlassa professori, vararehtori Kalle-Antti Suominen muistutti perustavaa laatua olevien ilmiöiden tutkimisesta viittaamalla fysiikan tämänvuotisen Nobel-palkinnon saajiin Serge Harocheen ja David Winelandiin.
Jo Einstein yllättyi ilmiöstä
Uudella koelaitteella voidaan synnyttää erityisiä kahden fotonin 
polarisaatiosuperpositiotiloja. Laitteisto tuottaa paljon erilaisia fotoneita, mutta niistä valitaan vain toisiinsa kietoutuneita fotonipareja. Valitut fotonit ohjataan optisiin kuituihin mittauksia varten.
- Kun mittaamme toisen fotonin polarisaatiosuunnan eli suunnan, jossa sen sähkökenttä klassisesti tulkittuna värähtelee, ja havaitsemme, että fotoni värähtelee esimerkiksi vaakasuoraan, toinen fotoni värähtelee aina kohtisuorassa suunnassa eli tässä tapauksessa pystysuoraan, Kuusela sanoo.
- Ilmiö on hyvin omituinen, sillä fotonien välillä ei siirry informaatiota tai energiaa, ja silti toinen fotoni ”tietää” toisen fotonin polarisaatiosuunnan, Kuusela jatkaa.
Laitteistolla saadaan nähtäväksi klassisen fysiikan ajatusmaailmaan sopimaton todellisuus. Se on samalla yksi esimerkki kvanttimekaniikan keskeisimmistä havainnoista.
- Jo Albert Einstein huomasi kvanttimekaniikan ennustavan tällaisen ilmiön, mutta se oli hänen mielestään järjetön. Kvanttimekaniikka on kuitenkin lähes 90-vuotisen historiansa aikana pystynyt kerta toisensa jälkeen todistamaan, että näin todella on, Kuusela kertoo.
Yhteistyö Tukholman kanssa jatkuu
Turussa fotoneja voidaan mitata metrin etäisyydellä toisistaan, maailmalla on pystytty mittaamaan jopa sadan kilometrin päässä toisistaan olevia fotoneita. Teoria todentui myös silloin.
Fotoniparien kohtisuorassa olevat polarisaatiosuunnat on kvanttimekaniikan perusasioita, jolle on jo löytynyt sovellutuksiakin. Kuuselan mukaan perusasioiden jatkuva varmistaminen on olennaista, jotta soveltavaankaan tutkimukseen ei syntyisi aukkoja.
- Kvanttimekaniikan ymmärrys on tärkeää kaikissa arkipäivän elektronisten laitteiden valmistuksessa, Kuusela sanoo.
Suominen kuvasi laitteistoa Turun yliopistolle räätälöidyksi. Sen valmisti Tukholman yliopiston fysiikan laitokselta, jolla on monivuotinen kokemus alalta.
Suomisen mukaan laitteiston valmistaneen professori Mohamed Bourennanen ja hänen työryhmänsä kanssa synnytetään jatkossa myös tutkimusyhteistyötä.
Optiikan ja spektroskopian laboratorioon saadun laitteiston merkittävin rahoittaja on Suomen Tiedeseuran Magnus Ehrnroothin rahasto.
Erja Hyytiäinen