Aalto-yliopiston tutkijat kiersivät kvanttimekaniikan perusperiaatteen – tulos palkittiin fysiikan alan vuoden läpimurtona - Tiede | HS.fi

Aalto-yliopiston tutkijat kiersivät kvanttimekaniikan perusperiaatteen – tulos palkittiin fysiikan alan vuoden läpimurtona

Tutkimuksessa saatiin lomittumaan suurempia kappaleita kuin pidettiin mahdollisena. Lomittuneet kappaleet muodostavat ikään kuin yhteisen järjestelmän, vaikka ovatkin fyysisesti erillään.

Taiteilijan näkemys kokeessa käytetyistä kvanttirummuista.

16.12.2021 19:09

Aalto-yliopisTON fysiikan professori Mika A. Sillanpään ryhmän julkaisu on saanut kansainvälisen fyysikkoseuran Physics World -lehden palkinnon vuoden läpimurtona.

Julkaisu koski koetta, jossa Sillanpään ryhmä kiersi kvanttimekaniikan perusperiaatteisiin kuuluvan Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen. Sen mukaan kvanttimaailmassa hiukkasen nopeutta ja sijaintia ei koskaan voida mitata yhtä aikaa. Periaate sai nimensä saksalaisen fyysikon Werner Heisenbergin mukaan.

Kyseessä on rikkumaton luonnonlaki, joka johtuu kvanttimaailman herkkyydestä. Mittaaminen itsessään häiritsee kvantti-ilmiöitä. Kun esimerkiksi mitataan hiukkasen paikkaa, se samalla pakotetaan pieneen tilaan, jolloin sen nopeus väistämättä kasvaa.

Tämä periaate voidaan kuitenkin kiertää, toukokuussa julkaistu tutkimus osoitti. Tutkimuksen julkaisi maailman arvostetuimpiin tiedelehtiin kuuluva Science.

Aallon tutkimuksessa käytettiin kahta rummuksi sanottua kvanttikalvoa. Kalvojen leveys oli noin viidesosa hiuksen paksuudesta. Se kuulostaa vähäiseltä, mutta on kvanttien mittakaavassa valtava.

Ne saatiin lomittumaan eli eräänlaiseen yhteiseen kvanttitilaan, jossa ne käyttäytyvät kuin yksi hiukkanen.

Näin kookkaiden, periaatteessa ihmissilmällä nähtävien kappaleiden lomittuminen on merkittävä tulos.

Se haastaa perinteisen näkemyksen siitä, missä mittakaavassa kulkee kvantti-ilmiöiden ja arkisen todellisuuden raja, palkinnon perusteluissa todettiin.

Lomittuneet rummut saatiin värähtelemään vastakkaisissa vaiheissa. Kun yksi kalvo oli liikkeen yhdessä ääripäässä, toinen oli vastaavasti toisessa ääripäässä.

Kummankaan rummun sijaintia ja nopeutta ei voitu epätarkkuusperiaatteen vuoksi mitata yhtä aikaa. Tutkijat kiersivät tämän säännön mittaamalla samaan aikaan rummun A nopeuden ja rummun B sijainnin.

Koska rumpujen liike oli identtistä, saattoi rummun A liikkeen nopeudesta päätellä myös rummun B liikkeen nopeuden. Näin rummusta B saatiin mitattua samaan aikaan sekä tarkka nopeus että sijainti.

Mika A. Sillanpää tutkii kvantti-ilmiöitä Aalto-yliopistossa.

Sillanpään lisäksi palkitussa tiimissä olivat Aallossa apulais­professorina aloittava Laure Mercier de Lépinay ja tohtori Caspar Ockeloen-Korppi sekä kokeen teoreettisen mallin kehittänyt tutkija Matt Woolley New South Walesin yliopistosta Australiasta.

Physics Worldin palkinto annetaan tutkimuksille, jotka edistävät tiedettä tai sovelluksia merkittävästi.

Aikaisemmin palkinnon ovat saaneet muun muassa ensimmäinen kuva mustasta aukosta sekä havaintogravitaatioaalloista. Jälkimmäinen sai myöhemmin myös Nobelin palkinnon.

Aallon tutkimuksen lisäksi palkittiin yhdysvaltalaisen National Institute of Standards and Technology -tutkimuslaitoksen ryhmä, joka niin ikään tutkii kvanttilomittumista.

Seuraavaksi Sillanpään ryhmä pyrkii havaitsemaan painovoiman vaikutusta kvanttimekaanisessa järjestelmässä.

”Kyseessä on yksi fysiikan alan suurimpia avoimia kysymyksiä”, Sillanpää kertoo.

Sillanpään ryhmän kaltaista tutkimusta tekee vain muutama tutkimusryhmä koko maailmassa. Yksi syy tähän on koeasetelmien vaikeus. Kokeiden valmistelu vaatii paljon aikaa ja insinöörityötä.

Kokeet ovat perustutkimusta, joka ei suoraan tähtää sovelluksiin. On kuitenkin mahdollista, että mekaanisista värähtelijöistä saattaisi olla apua esimerkiksi tulevaisuuden kvanttitietokoneiden kehityksessä.

Lue lisää: Hiukkasten pallottelija – Professori Mika Sillanpää kehittää keinoa saada informaatiota kvanttimaailmasta

Artikkeliin liittyviä aiheita

Osaston uusimmat

Luitko jo nämä?

Osaston luetuimmat