Kvanttifysiikka ja teleportaatio

Luin kirjan Fotonien tanssi, kirjoittajana Anton Zeilinger, itävaltalainen kvanttifysiikan tutkija, sai Nobelin fysiikan palkinnon 2022.

Kirjailija kertoo selkeästi ja ymmärrettävästi kokeellisista tutkimuksistaan fotonien lomittumisesta. Kokeet osoittavat, että Einsteinin ihmettelemä "aavemainen kaukovaikutus" on todellinen ja maailma erilainen kuin arkijärki kertoo. Zeilinger ohjaa  askel askeleelta  lukijan näkemään, miten kummallinen kvanttimaailma on ja miten merkityksellisiä kokeissa saadut tulokset ovat. Einsteinin havainnoima "aavemainen kaukovaikutus" oli ristiriidassa hänen oman suppean suhteellisuusteorian kanssa, sillä sen mukaan mikään ei voi kulkea valoa nopeammin. Hän toivoi, että olisi mahdollista keksiä uusi fysiikka, jossa ei ole tälläisia aavemaisia vaikutuksia.

Tuon ensin esiin muutamia peruskäsitteitä kvanttifysiikasta.

Kvantittuminen E = hf jossa h = 6,6261 x 10^-34  Js (Plancin vakio) ja f säteilyn taajuus.

Pinta voi luovuttaa emittoida ja vastaanottaa apsorboida vain tietynlaisia sähkömagneettisia säteilyn energiaa vain tietyn kokoisina jakamattomina annoksina kvantteina. Pinnan luovuttama tai vastaanottama energia koostuu kokonaisesta määrästä energian kvantteja, joita kutsutaan säteilykvanteiksi.

Lomittuminen; Kvanttimekaaninen käsite, jossa kahden tai useamman hiukkasen välinen kytkentä voi olla paljon voimakkaampi kuin klassisessa fysiikassa.  Kun yksi hiukkanen mitataan, se voi vaikuttaa välittömästi toiseen hiukkaseen riippumatta siitä, kuinka kaukana hiukkaset ovat toisistaan.

Kvanttiteleportaatio; Kvanttitilan eli järjestelmän tiettyjen ominaisuuksien siirto toiselle järjestelmälle, joka voi periaatteessa olla mielivaltaisen kaukana. Kvanttiteleportaatio käyttää lomittumista informaation siirrossa.

Perinteinen Bohrin atomimalli; Tanskalainen Nils Bohr esitti 1913 vetyatomin mallin, jonka lähtökohtana olivat vedyn sprektistä tehdyt havainnot, fysikaalinen atomimalli, joka kuvaa atomin pieneksi positiivisesti varautuneeksi ytimeksi, jota elektronit kiertävät eritasoisilla radoilla.

Kvanttifysiikan atomimalli; Bohrin atomimallin jälkeen kehitettiin kvanttiteoriaan perustuva atomimalli, jossa otetaan huomioon hiukkasten aaltoluonne, atomia kuvataan tällöin Schrödingenin aaltoyhtälöllä.

Valosähköinen ilmiö ja fotoni

Einstein kertoi asian näin: "Sähkömagneettista säteilyä voidaan tietyissä tapauksissa pitää hiukkassuihkuna, joka koostuu valon nopeudella etenevistä fotoneista. Elektronin irtoaminen aiheutuu tämän mukaan fotonin ja elektronin törmäyksestä, jossa elektroni ottaa vastaan fotonin energian säteilykvantin hf,

Fotoni on massaton,  valon alkeishiukkanen.

Kirja kertoo, että Einstein julkaisi 1935  yhdessä Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin kanssa artikkelin "Voidaanko fysikaalisen todellisuuden kvanttimekaanista kuvausta pitää täydellisenä"

Artikkelissa tutkijat osoittavat, että kvanttifysiikan mukaan  kaksi järjestelmää voivat olla kytkeytyneenä toisiinsa erittäin tiiviisti, tiiviimmin kuin on mahdollista klassisesen fysiikan järjestelmille.  Pohditaan kahta hiukkasta, joilla on keskinäinen vuorovaikutus, Ne ovat saattaneet törmätä toisiinsa aikasemmin. Törmäyksen jälkeen ne lentävät erilleen omia teitään. Artikkelin mukaan kvanttifysiikka ennustaa, että kun toinen hiukkasista mitataan niin toisen kvanttihiukkasen tila muuttuu myös riippumatta siitä, kuinka kaukana hiukkaset ovat toisistaan, toisen hiukkasen mittaamisen vaikutus siirtyy toiseen hiukkaseen välittömästi. Tämä on ristiriidassa Einsteinin suppean suhteellisuusteorian kanssa, sillä sen mukaan mikään ei voi kulkea valoa nopeammin. Einstein nimitti tätä "aavemaiseksi kaukovaikutukseksi"

Kirjassa kerrottiin, kuinka kaksi  eri paikassa olevaa hiukkasta käsiteltiin, mitattiin ja toisen hiukkasen tila muuttui ensimmäisen hiukkasen mukaan. Nykyään tällainen koe on  mahdollista tehdä kehittyneen tekniikan vuoksi. Kirjassa tutkittiin nimenomaan polarisaatioltaan lomittuneita fotoneja. Valon polarisaatio tarkoittaa kuinka valo värähtelee vaakasuoraan edestakaisin ja pystysuoraan (ylös ja alas) tai jossakin muussa suunnassa, esimerkiksi valokuvaajat käyttävät polarisoivia suodattimia. Myös yksittäiset valohiukkaset eli fotonit kantavat polarisaatiota. Kirjassa tutkittiin yksittäistä fotonia ja määriteltiin onko se polarisoitunut tietyssä suunnassa vai ei. Fotonilla mahdollisia on kaksi. Valitusta suunnasta riippumatta käy ilmi, että fotoni on polarisoitunut joko pystysuoraksi tai vaakasuoraksi.

Sen jälkeen siirrettiin hiukkaspareja koskevan kuvan polarisoituneiden fotonien pareihin. Kokeessa oli melko helppo luoda sellaisia lomittuneita fotonipareja, joissa kahden fotonin polarisaatiot ovat kytkeytyneet tiukasti toisiinsa ja suorastaan lomittuneet Schrödingenin tarkoittamalla tavalla. Oletamme yksinkertaisen tapauksen, jossa kahdella fotonilla on aina sama polarisaatio, jos ne mitataan samassa suunnassa. Molemmat fotonit ovat joko pystysuoraan tai vaakasuoraan polarisoituneet. Silloin kolme mittausta x, y ja z vastaavat polarisaation mittausta kolmessa eri suunnassa. Mittauksessa käytetyn puoliaaltolevyn kolme asentoa vastaavat kytkimen kolmea asetusta x, y ja z. Tuloksena on Bellin epäyhtälö lomittuneiden fotonien polarisaatiolle.

Kokeitten perusteella havaittiin, että ennen fotonin havaitsemista kummallakin ilmaisimella on yhtä suuri todennäköisyys havaita fotoni eli fotoni oli kahden mahdollisuuden superpositiossa, fysiikassa se ilmaistaan sanomalla: Superpositio romahtaa sillä hetkellä, kun toinen ilmaisimesta havaitsee fotonin. Superpositio romahtaa välittömästi koko avaruudessa, tämä tapahtuu välittömästi, nopeammin kuin valon nopeus. Superposition romahtaminen oli toinen kvantti-ilmiö, jota Einstein ei halunnut, erityisesti sitä, että se tapahtuu valoa nopeammin. Tälläista ongelmaa ei synny, jos useimpien fyysikoiden tapaan ajatellaan, että kvanttifysiikan ainoa tehtävä on antaa todennäköisyyksiä. Einstein siis halusi, että fysiikka kuvaa aina ympärillämme olevaa fysikaalista tapahtumaa, eikä rajoitu vain todennäköisyyksien tuottamiseen. Kirja kertoo, että Einstein kirjoitti kirjeessä Max Bornille olevansa vakuuttunut, että Jumala ei heitä noppaa. Kirjoittaja Zeilinger sen sijaan uskoo, että Jumala oikeastaan rakastaa nopanheittoa.

Schrödingenin aaltoyhtälöllä voidaan ennustaa hiukkasten käyttäytymistä ja todennäköisyyksiä eri tiloissa.

Bellin epäyhtälö: John Bellin johtama matemaattinen lauseke. Se ilmaisee sen, että kahden klassisen järjestelmän korrelaatioiden vahvuus on rajoitettu. Lomittuneille järjestelmille tehdyissä kvanttimekanisissa mittauksissa Bellin epäyhtälö ei aina ole voimassa.

Bellin teoreema: Toteamus, jonka mukaan lomittuneet tilat ja sen seurauksena kvanttifysiikka ovat ristiriidassa lokaalisen realismin näkemyksen kanssa.

Bellin tilat: Käsite, jonka mukaan kahden fotonin polarisaatiot voivat lomittua keskenään neljällä eri tavalla. Nämä ovat neljä maksimaalisesti lomittunutta Bellin tilaa.

Suomen ensimmäinen kvanttitietokone on Teknologian tutkimuskeskuksessa  VTT on  rakentanut sen yhdessä suomalaisen kvanttialan start-up yrityksen IQM kanssa, koneen nimi on Helmi, siinä on 5 kubittia ja valmistui 2021.  Myöhemmin valmistui 20 kubittin kvanttitietokone nimeltään Leena. Alan kehitys on jatkuvaa ja Suomi on ensimmäinen maa, joka tarjoaa supertietokoneen ja kvanttitietokoneen yhdistelmän tutkimuskäyttöön korkeakouluille, tämän kvanttitietokoneen Helmi ja supertietokone Lumin yhdistemä on maailman tehokkain laskentakone tekoäly Geminin mukaan.

Arja Kolehmainen 28.02.2025 Helsinki

Lähteet: Fotonien tanssi Einsteinista kvanttiteleportaatioon

              Tekniikan fysiikka 2; Kari Suvanto ja Kari Lappalainen

              Tekoäly Gemini