Näin hyödynnetään kvantti-ilmiöitä. Kvanttimekaniikkaa on totuttu pitämään teoreettisena: kaikki tapahtuu näkymättömässä alkeishiukkasten mittakaavassa, ja selvät säännöt korvautuvat todennäköisyyksillä. Kvanttien outoudet ovat kuitenkin tulleet arkeen. Ilmiöt, joita meidän on vaikea edes kuvitella, toimivat pankkikorteissa ja älyvaatteissa, kännyköissä, kameroissa ja kuulalaakereissa.




Valokuvauksessa on yksi huono puoli: kuvia saadakseen on päästävä esteettömälle näköetäisyydelle kohteesta. Jokainen valokuvaaja tietää, että se on joskus hankalaa. Kuvaajan ja kohteen välissä voi olla taloja, autoja, puita tai muita kuvaajia. Tähän ongelmaan tuovat apua kvanttikamera ja lomittuneet valohiukkaset eli fotonit.

Kaikki kamerat kuvaavat fotoneja. Fotonit tulevat yleensä auringosta tai salamavalosta, osuvat kuvattavaan kohteeseen ja kimpoavat kameran linssiin, joka keskittää ne kuvakennoon tai isoisän mallissa filmiin.


Fotoni ja sen veli

Kvanttikamerakin kuvaa fotoneja, mutta se käyttää hyväkseen lomittumisen aiheuttamia erikoisominaisuuksia. Kvanttikuvaukseen tarvitaan aina oma valonlähde, joka tuottaa lomittuneita fotoneja. Syntynyt valonsäde hajotetaan kahdeksi niin, että lomittuneen fotoniparin toinen osapuoli menee suoraan kameraan ja toinen kohti kuvattavaa kohdetta.

Kun fotoni osuu kohteeseen, sen ominaisuudet muuttuvat. Samalla hetkellä sen kameraan mennyt pari kokee saman muutoksen. Usein käytetyn noppavertauksen mukaan lomittuneet fotonit ovat kuin kaksi noppaa, jotka antavat joka heitolla saman tuloksen, vaikka niitä heitettäisiin eri planeetoilla.

Kun valonsäteet on koottu yhteen, kameran tietokone selvittää, mitkä fotoneista ovat kokeneet yhtäaikaisia muutoksia. Niistäkin otetaan lukuun vain suoraan kameraan tulleen valonsäteen fotonit. Ja vaikka uskomattomalta tuntuu, niin fotonit, jotka eivät siis ole olleet lähelläkään kohdetta, osaavat muodostaa siitä kuvan. Eivät kylläkään nykyisellään kovin tarkkaa, sillä kuva kootaan vain muutamasta tuhannesta valopisteestä.


Ensin tulee tutka

Fotonien ei tietenkään tarvitse olla näkyvän valon aallonpituutta. Voikin olla, että ensimmäiset laboratorion ulkopuoliset sovellukset käyttävät mikroaaltoja ja ovat  enemmän tutkia kuin kameroita - tutkassahan kuvan tarkkuudella ei ole niin väliä.

Kvanttitutka havaitsisi helposti näkymättömät stealth-lentokoneetkin, koska koneesta heijastuvan tutkasäteen ei tarvitse osua tutkan antenniin: sen fotonien kokemat muutokset välittyvät - kiitos lomittumisen - toisen säteen kautta. Laitteella voisi myös havaita tienvarsipommit ja muut kätketyt ansat.

Vaikka kvanttikuvaaminen perustuu tunnettuun ja testattuun teoriaan, sillä on eräs heikkous. Tietyissä oloissa myös klassisen fysiikan perusteella voi syntyä samanlainen haamukuva, koska joskus kaksi fotonia vain sattuu olemaan identtisiä ilman lomittumistakin. Kvanttikokeilijat ovat kuitenkin varmoja, että muun muassa kuvausaika ja käytetty etäisyys vahvistavat, milloin kyseessä on aito kvantti-ilmiö.


Salaisuus tuplalukon taakse

Lomittumista sinänsä ei kukaan enää epäile. Lomittuneita järjestelmiä osataan nykyään luoda mielin määrin syöttämällä fotoneja tietynlaiseen kiteeseen, missä ne tuottavat kaksi lomittunutta tytärfotonia.

Lomittumisen hallinnasta hyötyvät ainakin kaikki ne, jotka haluavat siirtää tietoa ehdottoman salassa, eli vaikkapa pankit ja vaalivirkailijat. Kvanttimenetelmillä salattua viestiä on mahdoton salakuunnella. Koodinmurtajat eivät voi avata salausta lisäämällä tietokoneita tai kryptografeja, koska salaisuutta varjelee kiertämätön luonnonlaki.

Käytännössä on jo pitkään tiedetty - ja teoriakin vahvistaa asian - että salakirjoitusta on mahdotonta avata, jos käytetty koodi on kyllin pitkä, sattumanvarainen ja kertaluonteinen. Ehdot kuulostavat yksinkertaisilta, mutta aidosti sattumanvaraista on vaikea luoda. Yhtä vaikeaa on estää ihmisiä unohtamasta koodikirjojaan kapakoihin ja takseihin.

Mutta lomittuneilla fotoneilla ongelmat ratkeavat.

Järjestelmä on aukoton kahdesta syystä. Jos salakuuntelija sieppaa lomittuneen hiukkasen, hän samalla tuhoaa sen kuljettaman tiedon. Sanoman voi nimittäin avata vain, jos tietää, millä tavalla viestin lähettäjä ja vastaanottaja ovat fotoninsa lomittaneet. Toiseksi viestijät huomaavat, jos fotonien tila muuttuu, eli urkkija paljastuu.

Kvanttisalausta on jo käytetty vaaleissa esimerkiksi Sveitsissä, jossa on eteviä kvanttimekaanikkoja. Myös diplomaattiviestien lähettämistä on kokeiltu. Yhdysvalloissa kvanttisalaukseen perustuva viestintätekniikka on puolustusministeriön tärkeimpiä tiedehankkeita.

Tekniikan heikkous on, että kohina hukuttaa herkän kvantti-informaation helposti. Varsinkin langattomassa viestinnässä toimintaetäisyys on enintään muutamia kilometrejä.


Kännykässäkin tyhjä työntää

Casimirin ilmiön
vuoksi kaksi ohutta metallilevyä, joilla ei ole sähkövarausta, taipuvat toisiaan kohti tyhjiössä. Voisi kuvitella, että koko elämänsä voi elää kohtaamatta moista tapahtumaa, mutta todellisuudessa ilmiö on päivä päivältä tutumpi yhä useammalle suomalaisellekin.

Casimirin ilmiö on nimittäin täytynyt ottaa huomioon uusimpien matkapuhelinten ja muunkin hyvin tiukkaan pakatun elektroniikan valmistuksessa. Niissä ilmiö aiheuttaa harmittavaa hidastelua ja jumiutumista. Eikä ihme, sillä erittäin pienillä etäisyyksillä tyhjiön aiheuttama paine on jopa suurempi kuin ilmanpaine.

Hieman muunneltuna Casimirin ilmiö voi olla myös työntävä. Jos et huuda hurraata, et ole nanotekniikkaa työstävä insinööri. Työnnön avulla voi tehdä monia näppäriä nanolaitteita. Yhdistämällä metalleja, epämetalleja ja nesteitä nanoteknikoilla on käytössään pikkuriikkisten painetyökalujen pakki.

Tekniikan kehittyessä myös suuremmat vempaimet ovat mahdollisia. Ainakaan teoriassa ei ole estettä rakentaa kitkatonta kuulalaakeria auton pyörään tai vaikka levitoivia kenkiä - kunhan ei halua lentää muutamaa nanometriä korkeammalle.


Toppatakissa tunneloituu

Matkapuhelinten, mediasoittimien ja eräiden tietokoneidenkin käyttämät flash-muistit perustuvat elektronien tunneloitumiseen.

Flash-muistissa voimakas sähkövirta auttaa elektroneja tunneloitumaan ohuen eristekerroksen toiselle puolelle. Sinne syntyy negatiivinen varaus, jonka digitaalinen laite tulkitsee nollaksi. Varaus säilyy hyvässä tallessa eristeen takana, vaikka sähkö katkaistaan. Jos varaus puretaan, laite lukee muistin tilan ykköseksi.

Tunneloivia puolijohteita on myös laitteissa, joiden on kestettävä korkeita lämpötiloja tai säteilyä. Tunneloinnin ansiosta puolijohdetta voidaan seostaa apuainein tavallista enemmän.

Tunnelointiin perustuvia paikantimia ja viestintälaitteita istutetaan jo niin sanottuihin älyvaatteisiin eli esimerkiksi hyvin kylmissä oloissa käytettäviin haalareihin. Tunneloinnin ansiosta erilaisia näppäimistöjä voi käyttää paksunkin kangas- ja toppauskerroksen läpi.

Vähemmän arkipäiväisessä käytössä ilmiö on tunnelointimikroskoopissa. Tavallisesta mikroskoopista se poikkeaa kuin mehupilli Päijännetunnelista: linssin sijasta tunnelointimikroskoopissa on yhdestä atomista muodostuva kärki, josta tunneloituvat elektronit muodostavat tutkittavasta kohteesta atomintarkan kuvan. Laitetta voi käyttää myös toisin päin, eli sillä pystytään kokoamaan nanorakenteita atomi kerrallaan.


Koska saa kaupasta?

Kuinka pian ja mihin hintaan kvanttimekaanisia laitteita saa kaupoista?

Nopeimmin kaupallista hyötyä koituu nykytekniikan parantelusta. Luvassa on jo lähivuosina kirkkaampia led-valoja, tehokkaampia aurinkopaneeleja ja yhä nopeampia transistoreja.

Uudenlaiset laitteet, kuten lomittumiseen perustuvat kuvaus- ja viestintävälineet, tullevat nekin muutamassa vuodessa suurvaltojen armeijoiden käyttöön. Ne auttavat löytämään piilotettuja räjähteitä ja toivon mukaan vapauttamaan panttivankeja. Tavalliselle elektroniikan kuluttajalle niistä ei ehkä ole hyötyä. Ellei sitten tirkistelynhalu ulotu Big Brotherista naapureihin.

Osa kehitteillä olevista laitteista voi olla liian kalliita arkikäyttöön. Mutta parempi ottaa oppia kvanttimekaniikasta:  koska luonto noudattaa epätarkkuusperiaatetta, tulevan tekniikan ennustaminen -  ihmisten käyttäytymisestä puhumattakaan - on väistämättä erehtymistä.


Petri Forsell on vapaa toimittaja.


Lomittuminen on yksi niistä kvantti-ilmiöistä, joille ei ole vastinetta silmin havaittavassa maailmassa. Lomittuneessa tilassa olevat hiukkaset jakavat toistensa ominaisuuksia tavalla, joka ylittää paikallisuuden rajat. Jos toisen hiukkasen ominaisuudet muuttuvat, toinen muuttuu samalla hetkellä samalla tavoin, vaikka hiukkasten etäisyys olisi millainen.

On arvoitus, miten tieto tilan muutoksesta välittyy hiukkasesta toiseen. Jos ne viestisivät jotenkin, viestit kulkisivat ainakin 10 000 kertaa valoa nopeammin - mutta ne eivät tiettävästi viesti. Luonto vain on tällä tapaa omituinen.


Casimirin ilmiö. Kvanttimekaniikassa tyhjiö ei ole täysin tyhjä vaan kenttien ja virtuaalisten hiukkasten täyttämä. Tyhjiön virtuaaliset hiukkaset myös muuttuvat lyhytikäisiksi todellisiksi hiukkasiksi. Jos hiukkasten aallonpituutta rajoitetaan asettamalla kaksi metallilevyä hyvin lähelle toisiaan, levyihin kohdistuu niiden ulkopuolisten hiukkasten vuoksi painetta. Tämä on niin sanottu Casimirin ilmiö keksijänsä Hendrik Casimirin mukaan.


Tunnelointi tapahtuu, kun hiukkanen läpäisee ylivoimaisen tuntuisen esteen. Hiukkanen tai jopa hiukkasjoukko voi siirtyä vaikka seinän läpi. Yllättävää kyllä tunnelointi on yksi tavallisimpia luonnonilmiöitä: se on perustana auringon ydinfuusiossa, mutta sitä esiintyy käytännössä kaikissa kodin sähkölaitteissakin.


Epätarkkuusperiaate sanoo, että hiukkasen kaikkia ominaisuuksia ei voi mitata yhtä aikaa tarkasti. Jos yhden ominaisuuden tietää varmaksi, toinen on hämärämpi. Tätä kvanttimekaniikan periaatetta ei voi kiertää parantamalla mittalaitteita, vaan se on luonnon ominaisuus.



 

Suomalaistutkija havaitsi, että maaseudun monimuotoinen luonto saattaa suojata koiria allergialta. Se antaa tukea biodiversiteettihypoteesille.

Kaupunkilaiskoirilla on enemmän allergioita kuin maaseudulla asuvilla. Vähiten allergioita on koirilla, jotka elävät maalla maalaismaiseen tapaan monilapsisessa, muitakin eläimiä omistavassa perheessä ja saavat ulkoilla vapaasti kotipihalla.

Tällaisia asioita koirista Jenni Lehtimäki sai selville väitöstutkimuksessaan, josta Helsingin Sanomat kertoo jutussaan.

Ihmisistä tosin ei samanlaista yhteyttä löytynyt allergioiden ja asuinpaikan väliltä.

Lehtimäki testasi biodiversiteettihypoteesia. Sen mukaan immuunijärjestelmämme häiriintyy ja allergian tapaiset tulehdusperäiset sairaudet lisääntyvät, kun ympäristön monimuotoisuus hupenee ja me altistumme entistä vähemmille luonnon mikrobeille.

Väitöskirja koostui neljästä tutkimuksesta, joista kaksi käsitteli lapsia ja kaksi lemmikkikoiria.

Kummassakaan lapsitutkimuksessa ei löytynyt merkittävää yhteyttä allergioiden ja ihon mikrobien tai luonnon monimuotoisuuden välillä.

Toisin oli lemmikkien laita. Koiranomistajille suunnatun kyslytutkimusken mukaan sairaimpia olivat kaupunkilaiskoirat, joista noin 17 prosentilla oli allergiaa. Maalla osuus oli viitisen prosenttia.

”Kysely osoittaa ensimmäistä kertaa urbaanin ympäristön ja muun nisäkkään kuin ihmisen allergian välisen yhteyden”, Lehtimäki kertoo.

Vielä selvemmän näytön tarjoaa neljäs tutkimus, johon osallistui yhteensä 170 labradorinnoutajaa ja suomenlapinkoiraa.

Se paljasti, että eniten allergioista kärsivät kaupungissa esimerkiksi kerrostalossa asuvat koirat, joilla on ”urbaani elämäntyyli”. Niiden hoidosta vastaa yksi ihminen, joka harrastaa monenlaista ja lenkkeilee paljon koiran kanssa.

Harvinaisimpia allergiat ovat maalaiseen tapaan maalla elävillä koirilla. Niiden iholla on viljalti ympäristöstä peräisin olevia bakteereja.

Lehtimäki ihmettelee, miksi ympäristön ja allergian yhteys tuli ilmi koirilla muttei lapsilla.

”Allergia on monimutkainen sairaus ja ihmiselämä on monimutkaista, mikä saattaa piilottaa ympäristön vaikutuksen”, hän miettii.

Täysin piiloon ihminen ei kuitenkaan jäänyt. Kyselytutkimuksessa paljastui, että jos allergia vaivaa koiraa, omistajakin on todennäköisesti allergikko. Tämä johtuu epäilemättä jostain yhteisestä tekijästä koiran ja omistajan elämäntavoissa tai ympäristössä.

”Maaseutumaisessa ympäristössä koiran ja ihmisen elimistö altistuu mikrobeille, jotka jollakin tavalla tukevat immuunijärjestelmän toimintaa”, Lehtimäki toteaa.

Kysely

Uskotko biodiversiteettihypoteesiin?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.