Uutiset

Aallon fyysikot kumosivat kvanttimekaniikan perusperiaatteen kvanttirummuilla – nyt saavutus palkittiin fysiikan alan tutkimusläpimurtona maailmassa

Mika A. Sillanpään johtama tiimi onnistui mittaamaan samanaikaisesti kvanttirumpujen paikan ja nopeuden, mitä pidettiin aiemmin mahdottomana. Kansainvälistä fyysikkoseuraa edustava Physics World on aiemmin palkinnut tutkimusläpimurtoina muun muassa ensimmäisen mustasta aukosta otetun kuvan sekä Nobelin palkinnonkin saaneen havainnon gravitaatioaalloista.
The drumheads exhibit a collective quantum motion. Picture: Juha Juvonen.
Taiteellinen näkemys kvanttirummuista. Kuva: Juha Juvonen.

Physics World -lehti on valinnut Aalto-yliopiston professori Mika A. Sillanpään johtaman tutkimustiimin julkaiseman artikkelin vuoden tärkeimmäksi fysiikan alan tutkimusläpimurroksi. Physics World edustaa kansainvälistä fyysikkoseuraa, ja palkittujen tutkimustulosten tulee viedä tiedettä tai sen sovelluksia merkittävästi eteenpäin. Aikaisemmin palkinnon ovat saaneet muun muassa ensimmäinen kuva mustasta aukosta sekä havainto gravitaatioaalloista, joka sai sittemmin myös Nobelin palkinnon.

Palkitussa tutkimuksessa fyysikot onnistuivat mittaamaan samanaikaisesti kvanttirumpukalvojen paikan ja nopeuden – minkä ei kvanttimekaniikan tärkeimpiin perusperiaatteisiin kuuluvan Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen perusteella pitäisi olla mahdollista. Tutkijat käyttivät mittauksissa kahta rumpukalvoa, jotka olivat leveydeltään noin viidesosa hiuksen paksuudesta ja joita voidaan ajatella yhtenä värähtelijänä. Tutkimus julkaistiin toukokuussa 2021 arvostetussa Science-lehdessä.

”Kahden rummun värähtelyt päätyivät tutkimuksessa kollektiiviseen kvanttitilaan, jossa ne värähtelivät vastakkaisissa vaiheissa siten, että kun toinen oli liikkeen yhdessä ääripäässä, toinen oli vastaavasti toisessa samalla ajanhetkellä. Tällaisessa tilanteessa rumpujen hetkellisen sijainnin kvanttimekaaninen epämääräisyys kumoutui”, sanoo Aallossa vuodenvaihteessa apulaisprofessorina aloittava Laure Mercier de Lépinay.

An illustration of the 15-micrometre-wide drumheads prepared on silicon chips used in the experiment. The drumheads vibrate at a high ultrasound frequency, and the peculiar quantum state predicted by Einstein was created from the vibrations.
Havainnollinen kuva kvanttirummuista. Kuva: Mika Sillanpään tutkimusryhmä, Aalto-yliopisto.

Maailmassa on vain kourallinen tutkimusalueella työskenteleviä tutkimusryhmiä, ja Mika A. Sillanpään ryhmä on sen etulinjassa.

”Jatkamme tutkimusta ja yritämme havaita painovoiman vaikutusta kvanttimekaanisessa järjestelmässä. Se on fysiikan alan suurimpia avoimia kysymyksiä”, Sillanpää kertoo.

”Kokeet ovat hirvittävän vaikeita ja vievät paljon aikaa. Pitää olla paljon kärsivällisyyttä, että jaksaa kehittää uusia reseptejä parhaiden näytteiden valmistamiseksi, sekä uusia tutkimusasetelmia. Mittausjärjestelyt syntyvät pitkälti insinöörityön ja intuition yhteisvaikutuksena. Satunnaisammunnasta ei tule mitään.”

Tutkimuksen mukaan suuretkin kappaleet voivat päätyä niin sanottuun lomittuneeseen kvanttitilaan. Nyt tutkitut järjestelmät ovat silti juuri ja juuri paljaalla silmällä nähtävissä.

”Ei ole tietoa, onko luonnossa joku toistaiseksi tuntematon mekanismi, joka rajoittaa hyvin isojen kappaleiden kvanttiominaisuuksia”, Sillanpää sanoo.

Tutkimus ei tähtää sovelluksiin, mutta mekaaniset värähtelijät voivat auttaa esimerkiksi kvanttitietokoneiden ja -prosessorien yhdistämisessä toisiinsa.

Sillanpään ja Mercier de Lépinayn lisäksi palkitussa tutkimustiimissä olivat mukana Caspar Ockeloen-Korppi, ja kokeen teoreettisen mallin kehittämisestä vastannut tutkija Matt Woolley New South Walesin yliopistosta Canberrasta, Australiasta.

Yhdessä Sillanpään ryhmän kanssa palkittiin yhdysvaltalaisen NIST-tutkimuslaitoksen (National Institute of Standards and Technology) tutkimusryhmä, joka tutkii myös kvanttilomittumista.

”Kumpikin tutkijatiimi osoitti, että he voivat luoda kvanttilomittumista kahden värähtelevän kvanttirummun välille. Koska kvanttirummut ovat kooltaan makroskooppisia, niiden kvanttilomittuminen haastaa perinteisen käsityksen siitä, missä kvanttimaailma loppuu ja arkinen todellisuus alkaa”, sanoo Physics World -lehden verkkoeditori Margaret Harris.

Kvanttirumpututkimuksessa on käytetty Aallon ja VTT:n yhteistä OtaNano-tutkimusinfrastuktuuria. Sillanpään ryhmä kuuluu Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikköön (QTF) ja kansalliseen kvantti-instituuttiin (InstituteQ). Sillanpää johtaa myös Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) rahoittamaa hanketta, jossa tavoitteena on todeta painovoiman vaikutus kahden kultapallon kvanttimekaanisiin tiloihin ja värähtelyyn hyvin pienessä mittakaavassa ja äärimmäisen matalissa lämpötiloissa. Sillanpää on Aallon teknillisen fysiikan laitoksen professori ja Quantum Nanomechanics -tutkimusryhmän vetäjä.

Lue lisää:

Physics World: Quantum entanglement of two macroscopic objects is the Physics World 2021 Breakthrough of the Year

Physics World: Vibrating drumheads are entangled quantum mechanically

Physics World Top 10 Breakthroughs for 2021 -finalistit

Top 10 Breakthroughs of 2021 -podcast

Artikkeli: Vibrating drumheads are entangled quantum mechanically

 

Yhteystiedot:

The drumheads exhibit a collective quantum motion. Picture: Juha Juvonen.

Tutkijat onnistuivat kiertämään kvanttimekaniikan kulmakivenä pidetyn epätarkkuusperiaatteen - välineinä kylmät kvanttirummut

Kvanttimekaniikassa tunnetun Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan hiukkasen paikkaa ja nopeutta ei voida tietää samanaikaisesti. Tutkijat osoittavat nyt, kuinka makroskooppisen kokoiset värähtelevät rumpukalvot saadaan kvanttitilaan, jossa epätarkkuusperiaate voidaan kiertää.

Uutiset
The highly competed ERC Advanced Grant, awarded to leading top researchers, is the third ERC grant won by Professor Mika A. Sillanpää. In 2009, he received the ERC Starting Grant targeted at talented young researchers and, in 2013, he was awarded the ERC Consolidator Grant intended for top researchers establishing their careers. Picture: Aalto University.

Fyysikko Mika A. Sillanpää sai jo kolmannen EU:n miljoonarahoituksen – uusi tutkimushanke sovittaa yhteen kvanttimekaniikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa

Tutkijat ratkovat sata vuotta vanhaa fysiikan arvoitusta pienten kultapallojen ja äärimmäisen matalien lämpötilojen avulla. Värähtelevien pallojen välisen erittäin heikon painovoiman havainnointi voi ratkaista mysteerin.

Uutiset
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Lauri Parkkonen and the family cat, Roosa. Photo: Lauri Parkkonen, Aalto, University.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Mitä koirien ja kissojen aivoissa tapahtuu? Uusi kuvantamismenetelmä selvittää lemmikkien mielen saloja

Aalto-yliopiston professori Lauri Parkkosen ryhmä on vuosia kehittänyt kvanttioptisia antureita aivomagneettikäyrän eli magnetoenkefalografian (MEG) mittaamiseen. Toisin kuin perinteisessä MEG-laitteessa, jossa hyvin kylmässä toimivat suprajohtavat anturit vaativat ympärilleen senttimetrejä paksun lämpöeristeen, nämä uudet huoneenlämpötilassa toimivat anturit voidaan tuoda suoraan pään pinnalle. Tämä mahdollistaa entistä tarkemmat aivomagneettikäyrien mittaukset. MEG-kuvantaminen on tutkittavalle kivutonta ja turvallista.
Kuvaa laitteittosta Aalto-yliopsiton Kylmälaboratoriossa.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Ikuinen liike on mahdollista – Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa havainnoitiin kahden fysiikan lait haastavan aikakiteen välistä vuorovaikutusta

Aikakiteet ovat aineen olomuoto, jossa hiukkaset liikkuvat ikuisesti toistuvassa rytmissä ilman ulkopuolista energiaa. Tutkijat onnistuivat luomaan Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa kaksi aikakidettä ja tarkkailemaan niiden välistä vuorovaikutusta. Tulevaisuudessa aikakiteitä voi hyödyntää erilaisissa laitteissa, kuten kvanttitietokoneiden muistina.
Valkoinen laboratoriotakki sekä analyysityökalu, jolla voidaan mitata veripisarasta särkylääkkeen pitoisuus.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Kannettava ja nopea analysointityökalu voi mullistaa kipulääkkeiden diagnostiikkamarkkinat

Aalto-yliopistosta ponnistanut startup-yritys Fepod Oy Ltd on kehittänyt diagnoosimenetelmän, jolla potilaan veren kipulääkepitoisuus voidaan selvittää nopeasti ja edullisesti suoraan hoitopaikalla.
Yhdistelmäkuva, jossa näkyy revontulia, Maa, mittauksia.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Suomi 100 -satelliitti teki sen, mihin aiemmin pystyivät vain paljon suuremmat: kuvasi ja tutki revontulia

Revontulialueen tutkiminen auttaa esimerkiksi turvallisten tietoliikenneyhteyksien kehittämisessä.