Teadlased tegid Einsteini «tontliku kaugmõju» esimest korda silmaga nähtavaks

Joonis soome teadlaste kvantpõimumise-eksperimendist. Foto: Aalto University / Petja Hyttinen & Olli Hanhirova, ARKH Architects.

Kaks värsket teadusuuringut suurendavad ühe kvantfüüsika müstilisema nähtuse esmakordselt inimesele peaaegu hoomatavatesse mõõtmetesse.

Kui mõõdad ühe osakese oleku, muutub automaatselt ka sellest ükskõik kui kaugel oleva paarilise olek, ainult et mõõtetulemusest risti vastupidiseks. Kui seni on selliseid tulemusi saavutatud vaid spetsiaalsetele sensoritele märgatavates mastaapides, siis ajakirjas Nature avaldatud teadustööd astuvad esimese sammu veidra kvantpõimumise makromaailma toomiseks, kirjutab Science.

Kvantfüüsika on teatavasti füüsika valdkond, mis tegeleb kõige väiksemate osakeste määramatusega. Üks selle põhilistest tõdemustest on n-ö määramatuse printsiip, mille kohaselt on osakesed alati niinimetatud superpositsioonis - justkui kahes olekus korraga. Näiteks on osakeste pöörlemist kirjeldav omadus spinn igal hetkel korraga mitmes olekus, näiteks korraga «üles» ja «alla». Selle oleku mõõtmisel saame aga vaid ühe tulemuse – vaatlus määrab oleku ja mõõtetulemuse.

Selliste veidruste tõttu oli ka Albert Einstein kvantmehaanika osas küllaltki skeptiline. Eriti üks kvantmehaanika veidramatest nähtustest, kvantpõimumine, tekitas temas koguni niipalju õudu, et 20. sajandi suurimaks füüsikuks ja vaieldamatuks geeniuseks tituleeritud Einstein ristis selle koguni «tontlikuks kaugmõjuks» (saksa keeles spukhaften Fernwirkung, inglise keeles spooky action from a distance). Seda hoolimata tõsiasjast, et suur osa kvantfüüsika lähtekohtadest pärinevad just nimelt tema sõnastatud valemist E=mc².

Nimelt väidab kvantmehaanika, et kaks osakest saab omavahel niimoodi siduda ehk «põimida», et nende olekud jäävad ka pikkade vahemaade takka üksteisest sõltuvaks. Kui need kaks osakest näiteks ühest lähtepunktist erinevatesse suundadesse välja kiirata ning seejärel näiteks saja kilomeetri kaugusel üks neist «kinni püüda» ja ära mõõta, määrates tema spinniks näiteks «üles», siis muutub teise olek koheselt vastupidiseks, ehk siis «alla».

Viimastel aastatel on kvantfüüsika aga läbi teinud meeletut arengut – juttu on mühinal arenevatest kvantarvutitest, kvantkrüpteerimisest ja koguni kvant-teleporteerumisest. Muu hulgas on läbi viidud ka esimene kvantkrüpteeritud ja satelliidi vahendatud videokõne seanss, mis kasutas info edastamiseks just nimelt seda sama kvantpõimumist.

Seni on kõik katsed jäänud aga rangelt mikromaailma, õigemini koguni nano- või pikomaailma piiresse. Juhtivas teadusajakirjas Nature avaldatud uuringud näitavad aga uus võimalusi.

Suurte rakendustega läbimurre

Ühes uuringus näitasid soome teadlased füüsik Mika Sillanpää juhtimisel, et on suutnud omavahel kvantpõimida kahe 15 mikromeetri paksuse alumiiniumikihi võnkumine. Teises aga saavutasid hollandi ja hiina teadlased Simon Gröblacheri juhtimisel samalaadse tulemuse 15 mikromeetri pikkuste silikoonist kiirtega. Varem ei ole keegi suutnud kvantpõimumist makroskoopilistes struktuurides näidata.

«Siin on peidus väga huvitav vastuseta küsimus – kui suureks saab [kvantpõimumisega] minna?» kommenteeris sellist edusammu kummagi uuringuga mitte seotud Nottinghami Ülikooli füüsik Andrew Armour.

Mõlemal uuel lahendusel näevad teadlased ka paljutõotavaid rakendusi. Näiteks hollandlaste aparatuuri peaks olema võimalik kasutada tuleviku arvutikiipides, mille abil võiks inimkond jõuda üliturvalise telekommunikatsioonini.

Sillanpää rakendus peaks aga olema rakendatav ülitäpsete mõõtmiste teostamiseks – tegemist on äärmiselt tundlike sensoritega, millega peaks olema võimalik mõõta muu hulgas ka näiteks aegruumi võbelusi ehk gravitatsioonilaineid. Kui praegu kasutatakse selliste mõõtmiste jaoks suuri teaduskomplekse nagu LIGO USAs ja Virgo Itaalias, siis väiksemate ja täpsemate sensorite kasutuselevõtt võiks tuua inimkonna lähemale füüsika n-ö pühale graalile ehk ühendada seni omavahel mitteklappivad kvantmehaanika ja relatiivsusteooria.

Nii Sillanpää kui ka Gröblacheri uuringud ilmusid teadusajakirjas Nature.