Havainnekuva kokeesta. Tutkijat käyttivät noin 15 mikrometrin levyisiä rumpukalvoja. Kahden rummun värähtelyistä saatiin luotua yhteinen kvanttitila. Kuva: Aalto-yliopisto / Petja Hyttinen ja Olli Hanhirova, ARKH arkkitehdit.
Havainnekuva kokeesta. Tutkijat käyttivät noin 15 mikrometrin levyisiä rumpukalvoja. Kahden rummun värähtelyistä saatiin luotua yhteinen kvanttitila. Kuva: Aalto-yliopisto / Petja Hyttinen ja Olli Hanhirova, ARKH arkkitehdit.

Hiuksen paksuiset rumpukalvot pysyivät lomittuneina yli puoli tuntia Aalto-yliopiston tutkimuksessa.

Lomittumiseksi kutsuttu kvanttimekaaninen ilmiö on havaittu ensi kertaa niin isoissa kohteissa, että ne voi nähdä. Lähes ihmisen hiuksen levyiset rumpukalvot onnistuttiin saamaan haamuvuorovaikutukseen keskenään, kertoo Aalto-yliopiston tiedote.

Tulevaisuudessa lomittuneita rumpukalvoja voisi käyttää laitteissa, jotka hyödyntävät kvanttiteknologiaa. Näitä ovat esimerkiksi reitittimet tai herkät anturit.

Haamuvaikutus tarkoittaa, että kappaleiden kvanttiominaisuudet riippuvat toisistaan, vaikka kappaleet ovat etäällä toisistaan. Fyysikko Albert Einstein epäili aikoinaan tällaista kaukovaikutusta kuulussa julkaisussa 1935. Sittemmin kaukovaikutus on todennettu useissa kokeissa laboratorioissa ja avaruudessakin.

Myöhemmin tätä ilmiötä alettiin kutsua lomittumiseksi. Ilmiössä hiukkaset vaikuttavat toisiinsa mielivaltaisten etäisyyksien päästä. Se sotii arkijärjen ja klassisen fysiikan teorioita vastaan.

Lomittuminen on luonut perustan kvanttiteknologioiden, muun muassa kvanttitietokoneiden kehitykselle. Ne voivat mullistaa ennen pitkää tietojenkäsittelyn ja tietoliikenteen.

Ympäristön häiriöt, etenkin lämpöliike, rikkovat lomittumisen hyvin herkästi. Kvanttifysiikan tutkijat ovat siksi pitäneet lomittuneen tilan luomista kahden atomia isomman kappaleen välillä erittäin haastavana.

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professorin Mika Sillanpään ryhmä on nyt kuitenkin osoittanut, että lomittuminen voidaan saada aikaan silmin havaittavien kappaleiden kesken. Tutkimuksen julkaisi Nature-lehti.

Kokeissa käytettiin kahta värähtelevää rumpukalvoa, jotka oli valmistettu alumiinista piisirulle. Rummut ovat valtavia verrattuna atomien kokoluokkaan. Leveydeltään ne vastaavat ohutta hiusta.

”Värähtelevät kappaleet saadaan lomittuneeseen kvanttitilaan suprajohtavan, mikroaaltotaajuisen antennin avulla. Sähkömagneettiset kentät toimivat alustana, joka imee rumpukalvojen liikkeestä lämpöhäiriöitä. Se jättää jäljelle heikot kvanttimekaaniset värähtelyt”, selittää Sillanpää Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Häiriöiden eliminointi on ensiarvoisen tärkeää. Siksi mittaukset tehtiin hyvin matalassa lämpötilassa, lähellä absoluuttista nollapistettä. Se on −273,15 astetta Celsiusta. Suprajohtavassa antennissa sähkö kulkee vastuksetta.

Rumpukalvot pysyivät mittauksissa lomittuneessa kvanttitilassa jopa puoli tuntia. Alkeishiukkasilla lomittuminen on mittauksissa kestänyt vain sekunnin murto-osia.

”Lomittuneiden kvanttitilojen tuottaminen laboratoriossa on vaikeaa. Sekä kappaleiden koko että lomittuneen kvanttitilan kesto tässä tehdyssä kokeessa ovat ällistyttäviä”, kommentoi tutkimusta teoreettisen fysiikan dosentti Teiko Heinosaari Turun yliopistosta.

”​Lomittuneita kvanttitiloja voidaan käyttää sekä tavallisen informaation että kvantti-informaation ​käsittelyssä monella tavalla. Työ avaa täysin uusia mahdollisuuksia käyttää rumpukalvoja kvantti-informaatiossa”, Heinosaari sanoo.

”Seuraavaksi aiomme yrittää mekaanisten kvanttitilojen teleportaatiota. Kvanttiteleportaatiossa kappaleiden ominaisuudet voidaan haamuvuorovaikutuksen avulla siirtää mielivaltaisen kauas”, kertoo Aalto-yliopiston tutkijatohtori Caspar Ockeloen-Korppi, artikkelin pääkirjoittaja.