Kvanttijin ja -jang ikuistettiin reaaliajassa
Tutkijat ovat onnistuneet visualisoimaan lomittuneita fotoneja ennätysajassa. Yleensä siihen kuluu useita päiviä.
Vaikka kvanttimekaniikalla ja -fysiikalla on yli 100-vuotinen historia, mikroskooppisessa maailmassa on vielä paljon asioita, joihin ei ole selitystä.
Viime vuosina uusi tekniikka on mahdollistanut suoranaisen kvanttiloikan, jonka ansiosta fyysikot voivat tutkia hiukkasia läheltä, ja kvanttitietokoneetkin on saatu jo toimimaan.
Yksi kvanttifysiikan eksoottisimmista alueista on hiukkasten lomittuminen. Fyysikot haluaisivat ymmärtää ilmiötä tarkemmin, mutta sen havaitseminen on vaikeaa.
Kanadalaisen Ottawan yliopiston ja italialaisen Rooman Sapienza-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden tekniikan, jonka avulla lomittuminen voidaan visualisoida ennätysajassa.
Tutkijat kuvaavat Nature Photonics -lehdessä julkaisussa artikkelissa, miten he saivat jin ja jang -tyyppisen kuvan kahdesta lomittuneesta valohiukkasesta reaaliajassa.
Lomittumista on vaikea ikuistaa
Lyhyesti ilmaistuna lomittuminen on kahden samanlaisen hiukkasen välinen yhteys, vaikka hiukkasten välinen etäisyys olisi suuri.
Ilmiön ansiosta esimerkiksi kaksi valohiukkasta – joita kutsutaan fotoneiksi – voi olla yhteydessä toisiinsa valtavien etäisyyksien yli, ja kun yhdessä hiukkasessa tapahtuu muutos, toisessa hiukkasessa tapahtuu samanlainen muutos.
Jotta fyysikot voivat ennustaa, miten fotonien kaltaiset hiukkaset käyttäytyvät, heidän pitää selvittää niiden aaltofunktio.
Aaltofunktio on kuvaus hiukkasen tilasta, joka kvanttitasolla on niin sanotussa superpositiossa. Se tarkoittaa sitä, että hiukkanen voi olla kaikissa fyysisissä tiloissa samanaikaisesti.
Kun tutkijat mittasivat kahden valohiukkasen lomittumista niin kutsutulla digitaalisella bifotoniholografiamenetelmällä, saatiin aikaan tämä jin ja jang -tyyppinen kuva.
Kahden toisiinsa kytkeytyneen hiukkasen aaltofunktion selvittäminen on suuri haaste, sillä joka kerta, kun toinen hiukkanen mitataan, tapahtuu välittön muutos myös toisessa hiukkasessa.
Haasteen ratkaisemiseksi fyysikot käyttävät kvanttitomografiaksi kutsuttua menetelmää, jolla saadaan kolmiulotteisia rekonstruktioita hiukkasista koko mittauksen ajan.
Fyysikkojen on tehtävä monia mittauksia hiukkasten kvanttitilasta, ja mitä monimutkaisempi tila on, sitä enemmän mittauksia tarvitaan. Niistä he voivat sitten rekonstruoida projektioiden perusteella lomittuneen 3D-kohteen.
Lehdistötiedotteessa tutkijat vertaavat tehtävää siihen, että kolmiulotteinen kappale luodaan kaksiulotteisen kappaleen varjojen avulla, kun alkuperäistä kohdetta valaistaan.
Menetelmä tuottaa tarkkoja tuloksia, mutta se tuottaa myös paljon tuloksia, jotka eivät ole fyysisesti mahdollisia ja jotka on suodatettava pois. Siksi prosessi voi kestää jopa useita päiviä.
Jin ja jang - lomittuminen
Ja nyt pääsemme uuteen digitaaliseen bifotoniholografimenetelmään. Hologrammit ovat 3D-kohteiden 2D-kuvia.
Optisissa hologrammeissa käytetään kahta valonsädettä 3D-kuvan luomiseen. Toinen säde osuu kohteeseen, joka heijastaa säteen. Toinen säde puolestaan kohdistuu kameraan erittäin tarkasti.
Hologrammi muodostuu valon interferenssiksi kutsutusta kuviosta, jossa kahden valoaallon huiput ja laaksot sulautuvat yhteen tai kumoavat toisensa.
Tällä menetelmällä ja nanosekunnin tarkkuudella toimivalla kameralla tutkijat pystyivät erottamaan vastaanotetun interferenssikuvion asettamalla tuntemattoman kvanttitilan ja tunnetun tilan vastakkain. Näin saatiin kahden lomittuneen fotonin jiniä ja jangia muistuttava rekonstruktio.
”Menetelmä on eksponentiaalisesti nopeampi kuin aiemmat tekniikat, sillä se vaatii vain minuutteja tai sekunteja päivien sijaan”, selittää Ottawan yliopistossa työskentelevä tutkija Alessio D'Errico lehdistötiedotteessa.
Lomittuminen on yksi kvanttitietokoneiden perusteista. Kun lomittumista ymmärretään aiempaa paremmin, saadaan aikaan vakaampia kvanttitietokoneita.
Tutkijat kirjoittavat artikkelissaan, että jin ja jang -muoto syntyi sattumalta optisten valonsäteiden kulman vuoksi. Kiinalaisessa filosofiassa jin ja jang symboloivat toisiinsa liittyviä vastakohtia, kuten valoa ja pimeyttä, yötä ja päivää.