Kvantveidrused kolivad katselauale

Stockholmi ülikooli füüsikaosakonna professor Mohamed Bourennane demonstreerib meile vibratsioonikindlatele teraslaudadele ehitatud katseseadmeid, millega saab uurida kvantmaailma veidrusi. Foto: Tiit Kändler

Põhjamaade Teoreetilise Füüsika Instituudi NORDITA korraldatud kvantteooria seminaril osalevate ajakirjanike ja kvantteadlaste ühine arvamus on, et kvantmaailma lugejale-kuulajale-vaatajale mõistetavaks teha on omamoodi kübaratrikk. Kuid minul tekib lootus selle trikiga jagu saamiseks, kui kuulen ja näen, kuidas viimastel aastatel on kvantnähtuste uurimine, aga ka gravitatsiooni ja kvantmaailma siduvate mustade aukude olemuse uute palgejoonte avastamine kolinud ülikallistest osakeste kiirenditest ja kosmoseteleskoopidest laborilauale üles seatud katseseadmetesse.

Stockholmi ülikooli füüsikaprofessor Mohamed Bourennane demonstreerib meile vibratsioonikindlatele teraslaudadele ehitatud üsna tagasihoidlike mõõtmetega katseseadmeid. Laser, polarisaatorid ja prismadest ehitatud poolläbipaistvad peeglid on nende seadmete füüsiline osa. Laserist tulevad footonid, polarisaator laseb eelistatult läbi vaid kindlas suunas levikusuunale risti «võnkuva» footoni ning poolläbipaistev peegel jagab footonite voo kaheks risti olevaks kiireks.

Võnkumine on footoni puhul jutumärkides, sest tegelikult see ei võngu, küll aga käitub sarnaselt võnkuva lainejupiga. «Alul oli meie seade hoopis suurem, nüüd aga oleme saanud selle nõnda kompaktseks, et saame neid uurimisasutustele kasumivabalt müüa.» Kuid katseseadmest üksi pole abi, sellega käib kaasas madala temperatuurini jahutatav footonite registreerija ning sobiliku tarkvaraga arvuti, mis katsetulemused nähtavaks teeb. Kel on üle 15 000 ­euro, saab selle võib-olla koju osta.

«Meie tegutseme uudse kvantinformatsiooniteaduse alal, mis viib kokku kvantfüüsika, arvutiteaduse ja infotehnoloogiad,» selgitab Bourennane. See teadus kasutab erinevaid kvantprintsiipe, nagu kvantpõimumine ja superpositsioon, et lahendada infotöötlemist arvutamisel ja andmesidel. Teisisõnu – kvantarvutite loomisel ja teadete salakodeerimisel ehk kvantkrüptograafias.

Kvantpõimumine tähendab seda, et kaks footonit, mis on olnud omavahel ühenduses – näiteks kiiratud üheskoos välja mõnest aatomist –, jäävad ühendusse ka siis, kui on lennanud universumi erinevatesse otstesse. Raske mõista – isegi Albert Einstein ei suutnud seda tõsiasja taluda ja püüdis oma mõtteliste katsetega ümber lükata. Kuid nüüdseks on kvantpõimumine tõestatud, ja Bourennane saab seda oma katseseadmel meile ka demonstreerida.

Viini ülikooli kvantteaduste ja -tehnika keskuse Aspelmeyeri rühma teadlane Rainer Kaltenbaeck toob oma loengus kvantpõimumise kohta mällusööbiva näite. Oletame, et pärast lennureisi rabate pagasilindilt oma kohvri ja tõttate kähku koju. Kodus avate kohvri ja näete, et see ei olegi teie oma: asjad selle sees on hoopis teistsugused. Sellest teate te hoobilt, mis on kellegi teise kaasreisija käes olevas teile kuuluvas kohvris. Info kahe kohvri seisundi kohta on põimunud, kui kaugel need kohvrid ka üksteisest ei asuks.

Superpositsiooni printsiip tähendab seda, et kvantosake, nagu valgusosake footon või elektron, viibib ühekorraga mitmes olekus. Jälle asi, mis tuleb lihtsalt teadmiseks võtta ning loota, et seda saab kasulikult ära kasutada – eelkõige kvantarvutites, mis suudavad arvutada tavaarvutitest võrreldamatult kiiremini, pakkudes korraga väga suurt hulka lahendusi. Nõks on selles, kuidas hoida ülal kvantosakeste vahelist kooskõla ehk koherentsi ja kuidas vaata et lõputu hulga lahendusvariantide seast see üks ja õige üles leida.

Kvantarvuti idee tuumaks on kvantbitt ehk kubit, mis teeb kõik järgneva võimalikuks. Tavaarvutis esitatakse arvud bittidena, ja bitt on kas 0 või 1. Kvantosake on segaseisundis ja nõnda esitab ta samal ajal nii arvu 0 kui arvu 1. Kuid nagu kinnitas Uppsala ülikooli infoteooria assistentprofessor Marie Ericsson, pole siiani piisavalt suuri ja töökindlaid kvantarvuteid suudetud luua. Tavamaailm tungib peale ja lõhub suurema süsteemi kvantoleku.

Kindlasti oleks kvantarvuti leidmine katkestav leiutis, kuid mitte sellepärast, et tal oleks piiramatu arvutivõimsus. Pigem tänu sellele, et kvantarvutil saaks väga hästi lahendada mõningaid praktilisi probleeme, nagu näiteks keeruliste võrgustike rehkendamine ja arvude faktoriaalide leidmine, mis on oluline sõnumite salastamisel ehk krüptograafias.

Kvanteksperimente ja isegi universumit abistab laborilaual eksponeerida ka tavaline vesi. Nottinghami ülikooli gravitatsioonilaboratooriumi teadlane Silke Weinfurtner ja tema kaastöötajad on praktiliselt tõestanud, et laborilaual saab ehitada universumi ühe mõistatuslikuma kvantobjekti, musta augu. Selgub, et mõned vedelike voolamise ehk hüdrodünaamika olukorrad on kirjeldatavad võrranditega, mis sobivad ka mustade aukude kirjeldamiseks. Selleks tuleb näiteks luua vees keeris. Kui te vaatate vanniaugust alla voolava vee keerist, siis teadke: jälgite musta auku, mis tõmbab enesesse kõik ümbritseva, mis vaid august sisse mahub. Niisamuti on võimalik vedelikus oskuslikult laineid tekitades simuleerida paisuvat universumit, ja nõnda uurib üha enam teadlasi selliseid süsteeme.

Kvantmehaanika annab tööd mitte ainult füüsikutele ja IT-meestele. Selle kallal on higistanud mitu põlvkonda filosoofe – alates 1905. aastast, mil Einstein tõestas, et Max Plancki avastuse taga on tõsisasi, et valgust kiiratakse portsude ehk kvantide kaupa. Olgu kvantmehaanikaalaste katsete tulemused millised tahes, küsimus on tõlgenduses, mis lõppkokkuvõttes taandub küsimusele, kas reaalne maailm on olemas või tekib see alles vaatleja olemasolul.

Ent olgu tõlgendus milline tahes, mitte miski võim ega vägi ei suuda mingite nippide abil eales kvantmehaanika ennustusi reprodutseerida. Seda ütleb Belli teoreem ja sellises maailmas me elame ning sellega tuleb leppida. See 1982. aastal tõestatud teoreem ütleb meile, et pole mõtet jõudu raisata selle peale, et püüda klassikaliselt ehk siis inimesele arusaadaval moel kvantmehaanikat esitada. Ometi näitab nüüdisteadus, et kvantmaailma saab üles ehitada ja selle omadusi uurida ka oma kirjutuslaual. Kui see juhtub olema tavalise maailma võnkumiste eest kaitstud.

Bourennane laseb abilisel ruumi pimedaks teha ja demonstreerib meile oma laborilaudadel seda, kuidas footonid, mida on osakestest kõige sobivamad informatsioonikandjad, oma seisundeid põimivad ja edasi kannavad. Lõpuks saab näha, kuidas kaks suhtlejat, Alice ja Bob, nagu kvantfüüsikud neid tavatsevad nimetada, kes on ilmutatud kastikestes asuvate seadmete kujul, omavahel kodeeritud sõnumiga footonit vahetavad. Sõnum on selge – kvantmaailmast võib lähemal ajal oodata mingit uut, rahulikku arengut katkestavat leiutist.