Albert Einstein totesi vuonna 1935, että kvanttimekaniikan lait sallisivat haamuvuorovaikutuksen toisistaan kaukana olevien alkeishiukkasten tai kappaleiden välillä. Myöhemmin lomittumiseksi kutsutussa ilmiössä hiukkaset vaikuttavat toisiinsa pitkienkin matkojen päästä – arkijärjen ja klassisen fysiikan teorioiden vastaisesti – ilman suoraa vuorovaikutusta.

Kvanttifysiikan tutkimuksessa on pitkään ajateltu, ettei haamuvuorovaikutusta voi esiintyä atomeja tai molekyylejä suurempien kappaleiden välillä. Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professorin Mika Sillanpään johtama tutkijaryhmä on nyt osoittanut toisin. Tulokset julkaistiin yhdessä tiedemaailman arvostetuimmassa julkaisussa, brittiläisessä Nature-lehdessä (siirryt toiseen palveluun).

Kaksi kappaletta puoli tuntia vuorovaikutuksessa keskenään

Tutkijat ovat nyt kyenneet hallitsemaan lähes arkielämän mittakaavan kokoisten kappaleiden kaikkein hienovaraisimpia fysikaalisia ominaisuuksia. Tutkijat onnistuivat laboratoriomittauksissaan saamaan kaksi lähes paljaalla silmällä havaittavaa, lähes ihmisen hiuksen levyistä liikkuvaa kappaletta kvanttitilaan, jossa ne tuntevat toisensa haamuvuorovaikutuksen välityksellä. Kokeissa käytettiin kahta värähtelevää, alumiinista piisirulle valmistettua rumpukalvoa. Rummut ovat makroskooppisia atomien kokoluokkaan verrattuna, leveydeltään ohuen hiuksen paksuisia.

– Värähtelevät kappaleet saadaan lomittuneeseen kvanttitilaan suprajohtavan, mikroaaltotaajuisen antennin avulla. Sähkömagneettiset kentät toimivat alustana, joka imee rumpukalvojen liikkeestä lämpöhäiriöitä ja jättää jäljelle heikot kvanttimekaaniset värähtelyt, Sillanpää sanoo.

Ympäristön häiriöiden eliminointi on mittauksissa tärkeää. Siksi mittaukset suoritettiin lähellä absoluuttista nollapistettä −273,15 °C. Rumpukalvot saatiin pysymään mittauksissa lomittuneessa kvanttitilassa huomattavan pitkän ajan, jopa puoli tuntia. Alkeishiukkasille tehdyissä mittauksissa lomittuminen on kestänyt vain sekunnin murto-osia.

Voi mullistaa tietojenkäsittelyn lähivuosikymmeninä

Seuraavaksi Sillanpää tutkimusryhmineen aikoo yrittää mekaanisten kvanttitilojen teleportaatiota.

– Kvanttiteleportaatiossa kappaleiden ominaisuudet voidaan haamuvuorovaikutuksen avulla siirtää mielivaltaisen kauas. Olemme toki vielä melko kaukana Star Trekistä, sanoo artikkelin pääkirjoittaja, Aalto-yliopiston tutkijatohtori Caspar Ockeloen-Korppi.

Tulevaisuudessa lomittuneita rumpukalvoja voi käyttää kvanttiteknologiaa hyödyntävissä laitteissa esimerkiksi reitittiminä tai herkkinä antureina. Ne voivat myös edistää perustutkimusta kvanttimekaniikan ja painovoiman huonosti ymmärretystä yhteydestä. Ilmiö on luonut perustan kvanttiteknologioiden, muun muassa kvanttitietokoneiden kehittämiselle. Niiden odotetaan mullistavan tietojenkäsittelyn ja tietoliikenteen lähivuosikymmeninä.

Työhön osallistui tutkijoita Aalto-yliopiston lisäksi University of New South Wales Canberrasta Australiasta, University of Chicagosta Yhdysvalloista sekä Jyväskylän yliopistosta. He kehittivät alkuperäisen teoreettisen idean kokeessa käytetystä menetelmästä.