Kvanttiteknologia – mitä ihmettä?

Kvantti on trendisana, jota kuulee aina välillä, mutta mitä se oikein tarkoittaa?

Joissakin tapauksissa sana ”kvantti” ei tarkoita oikeastaan mitään, millä olisi tieteellistä pohjaa. Yksi tällainen esimerkki on kvanttihoito. Kvanttia on käytetty vapaasti myös pesuaineiden ja elintarvikkeiden nimissä, mikä lähinnä huvittaa eikä niinkään saa ajattelemaan, että niiden sisällä piilisi kvanttiteknologiaa.

Näistä tapauksista huolimatta kaikki kvanttituotteet eivät suinkaan ole huuhaata. Päinvastoin – pian kvantteja tavataan ainakin antureissa, tietokoneissa ja tietoliikenteessä.

Esimerkiksi kvanttipistenäyttöjen entistä korkeampi kuvanlaatu perustuu nanokokoisten partikkelien energiatasojen kvantisointiin. Vaikka toistaiseksi kaikissa kaupallisissa televisoissa kvanttipisteitä käytetään lähinnä värisuodattimina tai -muuntimina eikä varsinaisina valonlähteinä, markkinoille on melko pian odotettavissa valoa tuottavia kvanttipistenäyttöjä.

Mikä tekee kvantin?

Kun kappaleita on tarkasteltu pienimmillä energiatasoilla, on havaittu, ettei energiatila voi olla aivan mikä tahansa. Itse asiassa kullakin järjestelmällä on vain tietty joukko mahdollisia energiatiloja. Eri tilojen välissä ei ole mitään.

Emme tavallisesti kohtaa arkielämässä tällaista energian kvantisointia, sillä energiatilojen välit ovat mitättömän pieniä ja peittyvät kohinaan. Ilmiö on kuitenkin todellinen. Energian kvantisointi havaittiin ensimmäisen kerran atomeissa ja viime vuosikymmeninä myös ihmisen tekemissä laitteissa, mikä johti kvanttiteknologian nousuun.

Määrittelen kvanttiteknologian käytännöllisinä laitteina tai prosesseina, joissa yksittäisiä energiatiloja hyödynnetään hallitusti.

Jännittävintä ei kuitenkaan ole energiatilojen erillisyys vaan tämän ilmiön seuraukset. Kvanttijärjestelmän nousu matalammasta korkeampaan energiatilaan muistuttaa etäisesti tikkailla kiipeämistä. Mutta sen sijaan että askelmalta toiselle edettäisiin tasaisesti nousten, energian kvantisointi pakottaa kvanttijärjestelmän katoamaan vähitellen alemmalta energiatilalta ja vastaavasti ilmestymään korkeampaan energiatilaan.

Superpositio – ominaisuus, jossa järjestelmä on samanaikaisesti kahdessa energiatilassa – on kvanttiteknologian ytimessä.

Kvanttivallankumous

Kvanttiteknologian mullistava vaikutus ulottuu paljon pidemmälle kuin televisioihin. Kvantit löytävät vielä tiensä ainakin antureihin, tietokoneisiin ja tietoliikenteeseen. Itse asiassa laitteita, joissa käytetään yksittäisiä valokvantteja – fotoneja – suojattuun tiedonsiirtoon, on ollut markkinoilla jo yli kymmenen vuotta.

Myös anturit voivat saada lisäpotkua kvanteista. Jo yksittäisen järjestelmän superpositiosta voi olla apua esimerkiksi magneettikenttien mittaamisessa aiempaa tarkemmin. Kvanttijärjestelmien joukon täydellinen hallinta tarjoaa kuitenkin vielä suurempia etuja antureiden signaali-kohinasuhteen parantamisessa.

Kvanttivallankumouksen suurimmat odotukset kohdistuvat ehdottomasti kvanttitietokoneisiin. Ajatus vaikeimpien laskennallisten ongelmien ratkaisemisesta järkevässä ajassa on niin kiehtova, että tutkijat ovat vuosikymmenten ajan pyrkineet osoittamaan kvanttilaskennan perusteiden olevan kunnossa. Viime aikoina ala on lähtenyt hurjaan nousukiitoon. Kvanttitietokoneiden kehitykseen on sijoitettu miljardeja euroja maailmanlaajuisesti, ja niillä odotetaan olevan huomattavia hyötyjä tavallisiin tietokoneisiin verrattuna.

On jännittävää nähdä, miten tutkimustyötä, jota pidettiin vielä melko hiljattain puhtaasti akateemisena, aletaan nyt soveltaa käytännössä. Lopultakin kvanttifyysikko voi nukkua yönsä hyvin – työlläni on merkitystä käytännössä.

Mikko Möttönen
tutkimusprofessori
mikko.mottonen(a)vtt.fi

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.