Professoriluento | Jyrki Piilo

Luonnonilmiöitä ja fysikaalisia systeemeitä voidaan tutkia suuruusluokaltaan hyvin erilaisissa mittakaavoissa. Kvanttifysiikassa yleisimmät ilmiöt tapahtuvat mikroskooppisessa mittakaavassa eli esimerkiksi atomin kokoluokan — tai tätä pienemmissä — systeemeissä. Kvanttifysiikka syntyi viime vuosisadan alussa, jolloin silloiset klassiset teoriat eivät pystyneet kuvaamaan hyvin esim. valosähköistä ilmiötä, jossa metalliin osuva valo luo sähkövirran. Tarvittiin uusi ja hyvin radikaali teoria selittämään tämä ja joitakin muita silloisia ilmiöitä. Tässä jouduttiin luopumaan osittain esimerkiksi deterministisyyden käsitteestä ja nojautumaan todennäköisyyksiin. Toisaalta uudessa teoriassa tietyt fysikaaliset suureet eivät voi saada jatkuvia arvoja vaan diskretisoituvat eli kvantittuvat.

Mikä on kvanttifysiikan kieli ja keskeiset termit?

Jotta voimme kuvata ja kehittää kvanttifysiikan teorioita, tarvitsemme tähän sopivan kielen. Tärkein kieli tähän tarkoitukseen on matematiikka. Havaittava kvanttifysiikan ilmiö tai sitä vastaava teoria pitää pystyä muotoilemaan matematiikan avulla. Tämä tekee mahdolliseksi sen, että voimme teoreettisesti ennustaa kokeissa havaittavia mittaustuloksia ja selvittää miten tuloksia tulkitaan. Kvanttifysiikassa käytettyjä melko abstrakteja matemaattisia käsitteitä ovat mm. tilavektori, aaltofunktio, kvanttibitti, superpositio, operaattori ja ehkä  hivenen “sarjakuvamaiselta” kuulostava Hilbertin avaruus. Usein kvanttifysiikan tutkimuksessa käytetään myös tietokonesimulaatioita. Tällöin esimerkikisi kvanttisysteemin tilan muuttumista kuvaavat matemaattiset liikeyhtälöt koodataan tietokoneelle ja jolloin simuloidaan kvanttisysteemin käyttäytymistä vaikkei klassinen tietokone itsessään sisälläkään fyysisesti kyseistä systeemiä. 

Merkilliset kvantti-ilmiöt: Millainen on kvanttifysiikan “maailma”?

Kvanttifysiikka on hyvin perustavanlaatuinen ja tarkka teoria. Jossakin mielessä voidaan sanoa, että kvanttifysiikka on paljon perustavanlaatuisempi kuin klassinen fysiikka ja sen kuvaamat ilmiöt. Kvanttifysiikka on myös hyvin menestyksellinen teoria. Yli sadan vuoden aikana kokeissa, joita on tehty lukuisia, ei ole juurikaan havaittu ristiriitaisuuksia kvanttifysiikan antamiin ennustuksiin nähden. Tämä pätee myös kvanttifysiikan kuvaamiin arkijärjelle outoihin ilmiöihin. Tällaisia ovat mm. superpositio ja kvanttikorrelaatiot kuten lomittuminen eli kietoutuminen. Superpositio tarkoittaa, että kvanttihiukkanen voi olla samanaikaisesti kahdessa tai useammassa kvanttimekaanisessa tilassa — kuten esimerkiksi paikassa. Tai kvanttihiukkanen voi  liikkua samaan aikaan sekä vasemmalle että oikealle. Tällä on hyvin merkittäviä periaatteellisia seurauksia ja myös käytännön sovelluksia — vaikka tehtäessä mittaus havaitaankin vain yksi mahdollisista vaihtoehdoista.  Kvanttihiukkasten kietoutuminen puolestaan tarkoittaa, että hiukkasten välillä olevasta mielivaltaisesta välimatkasta huolimatta hiukkasten tilat voivat olla täysin korreloituneet — ja toisaalta mitattaessa yhden hiukkasen tila tämä vaikuttaa välittömästi siihen mikä toisen hiukkasen tila on. Tämä ei kuitenkaan mahdollista valon nopeutta nopeampaa kommunikointia, koska toisen hiukkasen mittaajalle tulos edelleen näyttää ikäänkuin satunnaiselta vaikkei se sitä varsinaisesti enää olekaan. Toisaalta kvanttisysteemeillä on monia teknologisia sovelluksia perustuen superpositioon ja kvanttikorrelaatioihin kuten esimerkiksi kvanttilaskenta ja kvanttikommunikointi.

Miksi näemme tai koemme suoraan hyvin vähän kvanttifysiikan ilmiöitä?

Näemme kuitenkin jokapäiväisessä arkimaailmassamme suoraan hyvin vähän kvantti-ilmiöitä. Usein kvantti-ilmiöt vaativat tapahtuakseen — tai niiden havaitsemiseen vaaditaan — esimerkiksi hyvin matalia lämpötiloja. Erityisesti kvanttisysteemit, ja niiden kvanttitilat ovat hyvin alttiita ulkoisille häiriöille — ja ne ovat täten hyvin hauraita. Tällöin puhutaan dekoherenssista eli kvantti-ominaisuuksien häviämisestä tai katoamisesta. Tämän tapahtuessa systeemin tila muuttuu usein klassisen fysiikan mukaiseksi ja prosessi tapahtuu yleensä hyvin nopeasti sekunnin tuhannesosissa tai vieläkin huomattavasti nopeammin. Alttius ulkoisille häiriöille on seurausta siitä, että reaalimaailmassa herkkiä kvanttisysteemeitä on hyvin vaikeaa, tai mahdotonta, eristää ympäristöstään. Tämän seurauksena on syntynyt avoimien kvanttisysteemien käsite ja tutkimusala. 

Avoimet kvanttisysteemit

Avoimien kvanttisysteemien tutkimus auttaa ymmärtämään, ja antaa perustavanlaatuista tietoa, miten siirtyminen kvanttimaailmasta klassiseen maailmaan tapahtuu. Toisin sanoen yritämme vastata myös kysymykseen missä on kvantti- ja klassisen maailman raja. Tämä on myös hyvin tärkeä kysymys, kun suunnitellaan ja rakennetaan kvanttifysiikkaan pohjautuvia sovelluksia kuten kvanttitietokoneita. Kvanttisysteemit ja niihin pohjautuvat sovellukset eivät siis ole eristyksissä ympäristöstään ja tämän seurauksena systeemi ja sen ympäristö välttämättä vuorovaikuttavat keskenään. Toisin sanoen ympäristö häiritsee kvanttisysteemin ja sen tilan olemassaoloa — tai muuttaa ja heikentää tätä tilaa ainakin kvanttiominaisuuksien suhteen. Voidaan myös sanoa, että informaatiota virtaa tutkittavasta systeemistä sen ympäristöön, informaatio häviää ja ikäänkuin liukenee laajaan ympäristöön, ja tämä aiheuttaa perustavanlaatuisen muutoksen systeemin käyttäytymisessä. Myös tyhjiö eli vakuumi toimii kvanttisysteemin ympäristönä ja täten vaikuttaa avoimen kvanttisysteemin tilaan. On tärkeää huomata, että mitä makroskooppisempi tai isompi fysikaalinen systeemi ja sen kvanttitila on, sitä herkempi  se on ympäristön vaikutuksille, häiriöille ja jossakin mielessä informaation ulosvirtaukselle. Jos ajattelemme vaikkapa suunnilleen ihmisen mittakaavan kokoisia asioita, puhumme niin isosta makroskooppisesta mittakaavasta ja suuresta määrästä atomeja ja molekyylejä, verrattuna pienen kvanttimaailman ilmiöihin, että emme näe ihmisen kokoluokkaa olevia objekteja kvanttimekaanisessa superpositiotilassa. Ei kaiketi ole olemassa mitään jyrkkää luonnonlakia mikä tämän estäisi, mutta olosuhteet missä kvantti-ilmiöt esiintyvät verrattuna omiin olosuhteisiimme ovat liian erilaiset tämän tapahtumiseksi. Kokeissa on kuitenkin havaittu kvanttiominaisuuksia usean tuhannen atomin muodostamissa molekyyleissä ja joissakin biomolekyyleissä.

Miten hidastaa tai estää kvanttiominaisuuksien häviäminen?

Kvanttiominaisuuksien — kuten superposition ja lomittumisen — häviämistä voidaan kuitenkin yrittää estää tai hidastaa eri tavoilla. Voimme kehittää menetelmiä, joilla eristää kvanttisysteemit entistä paremmin muusta fysikaalisesta ympäristöstään ja täten suojata sitä ympäristön aihaeuttamilta haitallisilta vaikutuksilta sekä häiriöiltä. Toisaalta voimme kehittää tapoja, joilla voimme muokata kvanttisysteemin ympäristön ominaisuuksia niin, että häiriöiden vaikutus vähenee. Erityisesti jälkimmäistä keinoa selvitetään tämän hetken modernissa kvanttifysiikan tutkimuksessa aktiivisesti. Yleisesti  tätä asiaa voi lähestyä ainakin kahdella eri tavalla. Ensimmäisessä tapauksessa pyrimme avoimissa systeemeissä hidastamaan dekoherenssin tapahtumista ymäpäristön ominaisuuksia muokkaamalla. Toisessa tapauksessa kvanttisysteemistä sen ympäristöön virrannut informaatio virtaa myöhemmin takaisin kvanttisysteemiin ja samalla myös palauttaen ja voimistaen sen kvanttiominaisuuksia. Tässä yhteydessä puhumme yleisesti muistivaikutuksista tai efekteistä. Informaation takaisinvirtauksen seurauksena, kvanttihiukkasen tila palautuu siihen mikä se oli aikaisemmin ja se ikäänkuin “muistaa” aikaisemman tilansa. Tähän liittyen viime vuosien aikana on saavutettu  monia perustavaa laatua olevia teoreettisia tuloksia ja kokeellisia havaintoja hyvin kontrolloiduissa olosuhteissa esimerkiksi valohiukkasten eli fotonien avulla. Voidaan kuitenkin sanoa, että  avoimien kvanttisysteemien, informaatiovirtauksen, ja muistivaikutusten tutkimus on kuitenkin yleistä siinä mielessä että tulokset ovat sovellettavissa hyvinkin erilaisiin fysikaalisiin systeemeihin fotonien lisäksi.

Mikä tämän merkitys on kvanttifysiikan sovelluksille?

Viime vuosien aikana on paljon puhuttu kvanttifysiikan sovelluksista kuten kvanttikommunikaatiosta ja kvanttilaskennasta. Yleisesti sanottuna kaikki informatioon prosessointi, kuten laskenta, ja informaation välitys, eli kommunikointi, vaatii tapahtuakseen jonkin fysikaalisen systeemin. Kun kvanttisysteemeitä ja näiden ominaisuuksia kuten superpositioita ja kvanttikorrelaatioita käyteään hyväksi näihin tarkoituksiin, puhumme yleisesti kvantti-informaation alueesta.  Käytettäessä kvanttisysteemeitä, kuten fotoneita, kommunikointiin, voidaan taata — ainakin periaatteessa — täysin turvallinen ja täysin salattu tiedonsiirto. Jos vieras osapuoli yrittää salakuunnella lähetettyä viestiä, hänet voidaan havaita. Kvanttilaskennassa puolestaan useita matemaattisia tehtäviä voidaan ratkaista tai suorittaa klassisia tietokoneita huomattavasti nopeammin ja tehokkaammin. Tarpeeksi tehokkaalla kvanttitietokoneella on esimerkiksi mahdollista murtaa yleisesti kommunikaatiossa käytössä oleva klassinen salausmenetelmä, joka perustuu suurten alkulukujen tulon jakoon alkutekijöihinsä.  Kummassakin tapauksessa, eli kvanttikommunikaatiossa ja laskennassa, halutut tai hyödylliset piirteet perustuvat oleellisesti kvanttisuperpositioihin ja kvanttikorrelaatioihin. Vaikka kvanttitietokoneita on jo rakennettu useita, sekä yliopistoissa että eri yhtiöissä, vakava tutkimuksellinen ja teknologinen haaste on kasvattaa näiden kokoa eli niissä hyödynnettävien kvanttibittien määrää. Tässä palataan taas ympäristön haitalliseen vaikutukseen ja tämän lisääntymiseen kasvattaessamme kvanttisysteemien kokoa esim. kvanttibittien lukumäärällä mitattuna.  Kvanttilaitteissa tapahtuvien häiriöiden karakterisointi ja näiden häiriöiden estäminen liittyy oleellisesti myös avoimien kvanttisysteemien tutkimukseen ja mm. edellä mainittuihin tapoihin pyrkiä estämään kvanttiominaisuuksien häviäminen tai pyrkimykseen palauttaa kvanttiominaisuuksia. Avoimien kvanttisysteemien tutkimus tuottaa siis hyvin perustavan laatuista tietoa syvistä kvanttifysiikan lainalaisuuksista ja on samalla keskeisessä roolissa ratkottaessa ongelmia, jotka liittyvät kvanttifysiikan tämänhetkisten sovellusten kehittämiseen.

Lopuksi

Yleisesti ilmaistuna — kvanttifysiikan teorioiden kehittäminen on usein vaatinut hyvinkin poikkeuksellista ajattelua ja oivalluksia. Näiden saattaminen kattavaksi ja hyödylliseksi teoriaksi puolestaan vaatii pitkäaikaista ja kärsivällistä matemaattista työtä ja usein myös simulaatioita. Nämä piirteet ovat perustutkimuksen keskeisiä elementtejä — perustutkimuksen, joka  lisää tietoamme fysikaalisen maailman olemuksesta ja käyttäytymisestä —  sekä lopulta toimii alustana merkittävien sovellusten kehittämiselle.