Kvanttimekaniikassa tunnetun Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan hiukkasen paikkaa ja nopeutta ei voida tietää samanaikaisesti. Tutkijat osoittavat nyt, kuinka pienet värähtelevät rumpukalvot saadaan kvanttitilaan, jossa epätarkkuusperiaate voidaan kiertää. Värähtelevät kvanttirummut voivat auttaa tulevaisuudessa myös kvanttitietokoneiden kehittämisessä.

Aalto-yliopiston professori Mika A. Sillanpään vetämä, Suomen Akatemian Quantum Technology Finland – huippuyksikköön kuuluva tutkimusryhmä on nyt löytänyt tavan kiertää epätarkkuusperiaate.

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.

Tutkijat käyttivät ideaa hyväkseen ja esittivät toistaiseksi vahvimman todisteen siitä, että suuret kappaleet voivat päätyä niin sanottuun lomittuneeseen kvanttitilaan.  Siinä hiukkaset tai kappaleet jakavat toistensa ominaisuuksia tavalla, joka on arkijärjen vastaista.

Lomittuminen on perusta käynnissä olevalle kvanttiteknologian läpimurrolle. Esimerkiksi kvanttitietokone voi suorittaa esimerkiksi lääkkeiden kehityksessä tarvittavaa laskentaa paljon nopeammin kuin mikään koskaan rakennettavissa oleva supertietokone.

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.

Mittaukset suoritettiinkin hyvin matalissa lämpötiloissa, eli asteen sadasosan päässä absoluuttisesta nollapisteestä, -273 asteesta. Uudet tulokset on julkaistu uusimmassa Science-tiedelehdessä. Tutkijatiimiin kuului myös kokeen teoreettisen mallin kehittämisestä vastannut tutkijatohtori Matt Woolley South Walesin yliopistosta Australiasta.

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

Kuva: Heisenbergin epätarkkuusperiaate voidaan kiertää kahdella värähtelevällä nanorummulla. Rummut saatiin tutkimuksessa lomittuneeseen kvanttitilaan, jossa kaukana toisistaan olevat kappaleet jakoivat toistensa ominaisuuksia. Kuva: Juha Juvonen.