Uutiset

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.
The drumheads exhibit a collective quantum motion. Picture: Juha Juvonen.
Heisenbergin epätarkkuusperiaate voidaan kiertää kahdella värähtelevällä nanorummulla. Rummut saatiin tutkimuksessa lomittuneeseen kvanttitilaan, jossa kaukana toisistaan olevat kappaleet jakoivat toistensa ominaisuuksia. Kuva: Juha Juvonen.

Kvanttimekaniikan tärkeimpiä tuloksia on epätarkkuusperiaate, jonka Werner Heisenberg esitti 1920-luvun lopulla. Sen mukaan alkeishiukkaset, esimerkiksi sähkövirtaa kuljettavat elektronit, voivat käyttäytyä aaltoliikkeen tavoin. Tällöin hiukkasella ei voi olla samanaikaisesti hyvin määriteltyä paikkaa sekä nopeutta. Esimerkiksi nopeuden mittaaminen aiheuttaa häiriöitä hiukkasen paikalle, eikä paikkaa voida sen vuoksi tarkkaan määrittää.

Aalto-yliopiston professori Mika A. Sillanpään vetämä, Suomen Akatemian Quantum Technology Finland - huippuyksikköön kuuluva tutkimusryhmä on nyt löytänyt tavan kiertää epätarkkuusperiaate. Tulokset julkaistiin juuri arvostetussa Science-tiedelehdessä. Tutkijatiimiin kuului myös kokeen teoreettisen mallin kehittämisestä vastannut tutkijatohtori Matt Woolley South Walesin yliopistosta Australiasta.

Tutkijat käyttivät mittauksissa kahta rumpukalvoa, jotka ovat leveydeltään noin viidesosa hiuksen paksuudesta ja joita voidaan ajatella yhtenä värähtelijänä. Vaikka nanorummut ovat paljon yksittäisiä atomeita suurempia, ne saatiin kokeissa käyttäytymään kvanttimekaanisesti.

”Kahden rummun värähtelyt päätyvät kollektiiviseen kvanttitilaan, jossa ne värähtelevät vastakkaisissa vaiheissa siten, että kun toinen on liikkeen yhdessä ääripäässä, toinen on vastaavasti toisessa samalla ajanhetkellä. Tällaisessa tilanteessa rumpujen hetkellisen sijainnin kvanttimekaaninen epämääräisyys kumoutuu”, sanoo tutkijatohtori Laure Mercier de Lépinay Aalto-yliopistosta.

Tutkijat pystyivät siis häiriöttä mittaamaan samanaikaisesti rumpukalvojen paikan ja nopeuden – minkä ei Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen perusteella pitäisi olla mahdollista. Tämän ansiosta tutkijat voivat määrittää värähtelijään vaikuttavia erittäin heikkoja voimia.

”Toisella rummulla on siis ikään kuin negatiivinen massa, jolloin se vastaa kaikkiin voimiin, myös kvanttimekaanisiin, vastakkaisella tavalla”, Sillanpää sanoo.

Tutkijat käyttivät ideaa hyväkseen ja esittivät toistaiseksi vahvimman todisteen siitä, että suuret kappaleet voivat päätyä niin sanottuun lomittuneeseen kvanttitilaan. Lomittuneessa tilassa hiukkaset tai kappaleet jakavat toistensa ominaisuuksia tavalla, joka on arkijärjen vastaista. Lomittuminen on perusta käynnissä olevalle kvanttiteknologian läpimurrolle. Kvanttitietokone voi suorittaa esimerkiksi lääkkeiden kehityksessä tarvittavaa laskentaa paljon nopeammin kuin mikään koskaan rakennettavissa oleva supertietokone.

Suurehkoissa kappaleissa, kuten nyt tutkituissa värähtelevissä rumpukalvoissa, kvanttimekaaniset ilmiöt tuhoutuvat hyvin herkästi ympäristön häiriöiden vaikutuksesta. Mittaukset suoritettiinkin hyvin matalissa lämpötiloissa, eli asteen sadasosan päässä absoluuttisesta nollapisteestä, -273 asteesta.

Tulevaisuudessa tutkimusryhmä käyttää näitä ideoita ja menetelmiä laboratoriotutkimuksissa, joissa pyritään selvittämään kvanttimekaniikan ja painovoiman yhteyttä. Värähtelevät kvanttirummut voivat olla myös sopivia kvanttiteknologiassa yhdistämään kvanttitietokoneita toisiinsa.

Tutkimuksessa on käytetty OtaNano-tutkimusinfrastuktuuria. Kansallinen ja avoin OtaNano tarjoaa korkeatasoisen kokeellisen ympäristön ja OtaNanon operoinnista vastaavat Aalto-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT.

Artikkeli: Quantum-mechanics free subsystem with mechanical oscillators

Lisätietoa:

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

Kuva EPELI-virtuaalipelistä
Mediatiedotteet Julkaistu:

Virtuaalitodellisuuspeli osoittautui tehokkaaksi lasten ADHD-oireiden arvioinnissa

Arkielämän haasteiden ympärille rakennettu EPELI voi tulevaisuudessa auttaa myös ADHD:n hoidossa.
Logo
Yhteistyö, Mediatiedotteet, Yliopisto Julkaistu:

Pääkaupunkiseudun korkeakouluyhteisö yhdistää voimansa: EveryMoveCounts -kampanja käynnistyy

EveryMoveCounts -kampanjan tavoitteena on lisätä opiskelijoiden tietoisuutta arjen aktiivisuuden myönteisistä vaikutuksista hyvinvoinnille ja toimintakyvylle
Päivi Törmä ja Sebastiaan van Dijken
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tietokoneet haaskaavat valtavasti energiaa – nyt tutkijat kehittävät laskentaa, joka tuottaa huomattavasti vähemmän hukkalämpöä

Nykyiset tietokoneet ovat suuria energiasyöppöjä. Aalto-yliopiston tutkijat ovat juuri saaneet merkittävän Tulevaisuuden tekijät -rahoituksen ongelman ratkaisemiseksi.
Physicists at Aalto University and VTT have developed a new detector for measuring energy quanta at unprecedented resolution. Photo: Aalto University
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijat kehittivät maailman tarkimman säteilyilmaisimen – nyt se räätälöidään osaksi kvanttitietokoneita

Professori Mikko Möttönen on tiiminsä ja yhteistyökumppaniensa kanssa saanut Jane ja Aatos Erkon säätiöltä ja Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiöltä Tulevaisuuden tekijät -ohjelman rahoituksen. Sen avulla he haluavat jalostaa bolometriteknologian osaksi paitsi kvanttitietokoneita myös superpakastimia ja terahertsikameroita. Kyseessä olisi ensimmäinen kerta, kun uutta bolometria hyödynnetään käytännön sovelluksissa.