Mitä kvantti tarkoittaa?
Kaksi Aallon kvanttitutkijaa valottaa kiehtovaa maailmaa, jossa mahdottomalta kuulostava on täysin tavallista.
Mitä on kvanttiteknologia?
Moni nykyajan laite ei olisi olemassa ilman kvanttiteknologiaa, mutta huimimmat sovellukset vasta siintävät horisontissa.
Teksti: Sedeer el-Showk
Kvanttiteknologia voi kuulostaa tieteiskirjallisuudelta, mutta osa siitä on jo meidän kaikkien arkea. Esimerkiksi älypuhelimissa ja muissa nykyajan laitteissa olevia miljardeja transistoreita eli pieniä sähköisiä kytkimiä ei olisi voitu rakentaa ilman kvanttimekaniikan ymmärtämistä.
Toinen esimerkki ovat laserit. Kvanttimekaniikka ennusti niiden olemassaolon jo 1900-luvun alussa, vuosikymmeniä ennen kuin ensimmäinen laser rakennettiin. Nykyään laserit ovat arkista kvanttiteknologiaa, jollaisen saa halvimmillaan ostettua muutamalla eurolla.
Yksi vaikuttavimmista esimerkeistä ovat kuitenkin kvanttiantureita hyödyntävät magneettikuvauslaitteet, sanoo Aalto-yliopiston fysiikan professori Jose Lado.
”Pidämme niitä itsestäänselvyytenä, mutta niiden avulla kehon sisälle voi nähdä tarkkuudella, jota olisi aiemmin ollut mahdoton kuvitella. Minusta ne ovat tieteiskirjallisuuden ihmeisiin vertautuva kvanttiteknologian saavutus.”
Magneettikuvaus eli MRI perustuu magneettikentässä olevien vetyatomien ytimien lähettämien radioaaltojen havaitsemiseen. Lado kertoo, että näillä aalloilla voi olla vain tiettyjä tarkkoja taajuuksia. On kuin jokainen ydin voisi hyräillä vain tietyllä korkeudella sen mukaan, kuinka voimakas sen ympärillä oleva magneettikenttä on.
Kvanttimekaniikka mahdollistaa tämän – se on magneettikuvauksen perusta.
”Jos pystyt kartoittamaan kaikki nämä taajuudet, voit luoda kolmiulotteisen kartan kehon sisältä. Kvanttimekaniikka määrittää nämä taajuudet”, Jose Lado sanoo.
Materiaaleja yhdistelemällä voidaan luoda täysin uudenlaisia ominaisuuksia
Lado kehittää materiaaleja, joissa kvanttiominaisuudet ulottuvat makroskooppiseen mittakaavaan. Niitä voitaisiin käyttää kvanttiantureiden, kvanttitietokoneiden ja muiden teknologioiden rakennusaineina. Hänen ryhmänsä tekee teoreettista mallinnusta, jonka avulla voidaan ymmärtää nykyisiä kvanttimateriaaleja ja ennustaa, millaisia uusia yhdistelmiä ja rakenteita kannattaisi tutkia.
Tutkimusryhmä suunnittelee muun muassa topologiseen kvanttitietokoneeseen sopivia materiaaleja. Onnistuessaan topologiset kvanttitietokoneet toimisivat virheettömästi, jolloin ratkeaisi yksi kvanttilaskennan skaalaamisen suurimmista haasteista.
Teoreettisen mallinnuksen avulla voidaan löytää lupaavimmat materiaalit, mutta jonkun on myös selvitettävä, miten ne voidaan rakentaa ja testata. Lado tekee tässä yhteistyötä Aallon fysiikan professorin Peter Liljerothin kanssa, jonka ryhmä on erikoistunut kvanttimateriaalien kehittämiseen.
”Yritämme kehittää uudenlaisia kvanttimateriaaleja laitteisiin, joita ei vielä ole olemassa”, Liljeroth sanoo.
Suuri osa Liljerothin ja Ladon työstä liittyy materiaaleihin, jotka ovat vain yhden atomin paksuisia. Monilla näistä kaksiulotteisista materiaaleista on jo itsessään poikkeuksellisia ominaisuuksia, mutta Liljerothia ja Ladoa kiinnostaa erityisesti se, mitä tapahtuu, kun niitä yhdistetään eri tavoin.
”Se on kuin suuri työkalupakki materiaaleja, joilla on kiinnostavia ominaisuuksia. Haluamme tuoda materiaalit hallitusti läheiseen kosketukseen ja luoda ominaisuuksia, joita ei luonnossa esiinny yhdessä”, Liljeroth sanoo.
Teoreettinen materiaali voi avata tien uusiin kvanttiteknologioihin
Liljeroth tutkii myös toisenlaista materiaalia, kvanttispinnesteitä. Ne voivat auttaa ymmärtämään fysiikan perustavanlaatuisia kysymyksiä ja mahdollistaa muun muassa vakaampien ja paremmin skaalautuvien kubittien kehittämisen. Liljeroth kuvailee niitä karkeasti magneettiseksi materiaaliksi, joka ei koskaan ole magneettinen.
Tavallisessa magneetissa kaikkien atomien magneettinen suuntautuminen on samanlainen, joten niiden pohjoisnavat osoittavat samaan suuntaan. Myös kvanttispininesteen atomit ovat magneettisesti suuntautuneita, mutta ne ovat tilassa, jossa niiden kvanttiominaisuudet säilyvät: atomit ovat lomittuneet toisiinsa, ja jokaisella atomilla on samanaikaisesti kaikki mahdolliset suuntautumiset.
Tilannetta voisi verrata kulkueeseen, jossa kaikki ovat käsikynkässä, mutta jokainen ihminen katsoo samalla sekä eteen- että taaksepäin. Lopputuloksena kaikki vetävät molempiin suuntiin, eikä kukaan tiedä, mihin suuntaan pitäisi marssia.
Ei tiedetä, esiintyykö kaksiulotteisissa materiaaleissa kvanttispinnesteitä.
”Jose pystyy ennustamaan niitä kvanttimekaanisilla malleilla”, Liljeroth sanoo.
Teoreettiset mallit kuitenkin olettavat ihanteelliset olosuhteet ja saattavat tehdä yksinkertaistuksia.
”Todellisuudessa meillä ei ole mallisysteemejä. Meillä on oikeita materiaaleja. Kysymys onkin, mikä oikea materiaali – jos mikään – olisi kvanttispinneste. Sitä yritämme selvittää”, Liljeroth sanoo.
Kvanttispinnesteiden luominen ja ymmärtäminen voisi avata tien myös muihin tutkijoiden tavoittelemiin läpimurtoihin, kuten korkean lämpötilan suprajohtavuuteen.
Tuntemattomat tutkimussuunnat voivat johtaa huomisen teknologioihin
Tie tieteiskirjallisuudesta tuttuihin teknologioihin ei ole valmiiksi viitoitettu, tietää Aallon kvanttitutkija Sorin Paraoanu.
”Menemme suuntiin, jotka eivät ehkä juuri nyt ole valtavirtaa, mutta uskomme niiden herättävän kiinnostusta muutaman vuoden kuluttua”, Paraoanu sanoo.
Yhdessä tutkimushankkeessaan hän käyttää kvanttiantureita havaitakseen hypoteettisia hiukkasia, joista pimeä aine saattaa koostua. Pimeä aine on yksi maailmankaikkeuden suurista arvoituksista. Paraoanun ryhmä on myös kehittänyt menetelmän, jolla mikroaaltopulsseja voidaan havaita ilman niiden absorboimista. Kvanttimekaniikkaan perustuva temppu voisi auttaa lukemaan tietoa kvanttitietokoneista häiritsemättä niiden herkkää tilaa.
Ryhmä tutkii myös tavallisen valon pulssien käyttöä kubittien ohjaamiseen.
”Silloin voisimme skaalata järjestelmän paljon suurempaan kubittimäärään, eikä järjestelmä ehkä lämpenisi yhtä paljon”, hän sanoo.
Tämä on tärkeää, sillä lämpö häiritsee kubittien kvanttiominaisuuksia ja on yksi kvanttitietokoneiden skaalaamisen suurista esteistä.
Se, mitä kaikkea kvanttimateriaalit ja -teknologiat voivat tulevaisuudessa mahdollistaa, on vielä arvoitus.
”Kun transistori keksittiin, kukaan ei ajatellut, että se tulisi muuttamaan yhteiskuntaa niin kuin se on muuttanut”, Lado sanoo.
”Kukaan ei kuvitellut älypuhelimia tai sitä, että voisimme niillä saada lähes kaiken maailman tiedon käyttöömme ja kommunikoida kenen tahansa kanssa. Kvanttiteknologiat voivat viedä meidät suuntiin, joita emme nyt pysty kuvittelemaan. Kun ne aikanaan tulevat, ne voivat kuitenkin tuntua yhtä väistämättömiltä ja luonnollisilta kuin älypuhelimet ja magneettikuvauslaitteet tuntuvat meille nyt.”
Kysymyksiä ja vastauksia
Kvanttiteknologiat ovat teknologioita, jotka toimivat kvanttiefektien ansiosta. Samalla tavoin kuin lämmön tai sähkön hallitseminen avasi uusia teknologisia mahdollisuuksia, materiaalien kvanttiominaisuuksien hyödyntäminen antaa insinööreille mahdollisuuden luoda täysin uudenlaisia laitteita.
Kyllä, paljonkin! Ne jäävät usein huomaamatta, koska niistä on tullut arkisia – emme yleensä ajattele niitä kvanttiteknologioina. Esimerkiksi puhelimesi prosessori on hyvä esimerkki, samoin magneettikuvauslaitteen sisältämä teknologia. Kvanttilaskennan kaltaiset alat sisältävät sen tieteiskirjallisuudesta tutun lupauksen, jonka yhdistämme sanaan ”kvantti”, mutta kvanttiteknologiat ovat jo osa jokapäiväistä elämää.
Sitä on hyvin vaikea ennustaa. Kun laserit keksittiin 1900-luvun alkupuolella, tuskin kukaan ajatteli DVD-levyjä tai pieniä projektoreita. Nykyaikaiset transistorit olivat valtava teknologinen harppaus, mutta silloinkaan kukaan ei kuvitellut, että niiden avulla syntyisi maailmanlaajuinen viestintäverkko, joka yhdistää kädessä pidettävän laitteen supertietokoneeseen.
Kvanttianturit antavat meille jo ennennäkemättömiä mahdollisuuksia mitata ja stimuloida aivoja. Tiedämme, että kvanttitietokoneilla voidaan ratkaista tietyntyyppisiä ongelmia paljon nykyisiä tietokoneita nopeammin, mutta kuka tietää, mihin kaikkeen se lopulta johtaa?
Suuri osa haasteesta liittyy materiaalien kvanttiominaisuuksien säilyttämiseen. Lämpö ja muut tekijät voivat helposti saada materiaalit siirtymään kvanttimekaanisesta käyttäytymisestä klassiseen käyttäytymiseen. Siksi insinöörien on löydettävä tapoja hyödyntää niitä häiritsemättä niitä liikaa. Tutkijat kehittävät myös uusia kvanttimateriaaleja ja parempia tapoja pitää ne vakaina. Huippuluokan tutkimusympäristöt, kuten Aallon Kylmälaboratorio, ovat tällaiselle tutkimukselle elintärkeitä.
Lue myös
Kvanttihypen anatomia
Väitöskirjatutkija Christa Schauman kertoo, miten Suomi ja Eurooppa pärjäävät kisassa, johon kaikki haluavat mukaan – palkinnon epävarmuudesta huolimatta.
Lue lisää uutisia
Kvanttihypen anatomia
Väitöskirjatutkija Christa Schauman kertoo, miten Suomi ja Eurooppa pärjäävät kisassa, johon kaikki haluavat mukaan – palkinnon epävarmuudesta huolimatta.
Määrälaskennan automatisointi tekoälyllä vaatii muutoksia nykykäytäntöihin
Määrälaskentaa tehdään rakennushankkeissa useita kertoja vaihtelevin tuloksin. Talotekniikka 2030 -hankkeen TH15-tutkimus selvitti, miten määrälaskennan laatua voitaisiin parantaa ja miten laskelmien tuottaminen voitaisiin automatisoida tekoälyn avulla. Tutkimuksen toteutti Tampereen yliopisto.
Talotekniikan kiertotalous: halukkuutta riittää, käytännöt puuttuvat
Taloteknisiin järjestelmiin sitoutuu merkittävä osa rakennusten materiaalipäästöistä. Silti alan kiertotalous rajoittuu yhä pääosin materiaalien kierrätykseen, vaikka monet tuotteet soveltuisivat uudelleenkäyttöön. Tampereen yliopiston tutkimus Talotekniikka 2030 -konsortiolle selvitti, miten kiertotalous saataisiin laajennettua alan käytäntöihin.