Kvantmaailma tagune võib meid üllatada
Viini kesklinnast veidi eemal vaiksel tänaval asub üks möödunud sajandi alul ehitatud maja. Tänav kannab kunagise Viini füüsiku Ludwig Boltzmanni nime. Boltzmann mõtles välja, kuidas jaotub energia aatomite seltskonnas. Boltzmanni konstant näitab, kuidas on osakeste süsteemi temperatuur seotud nende energiaga.
Nüüd asub selles majas Austria teaduste akadeemia nelja aasta eest asutatud kvantoptika ja kvantinformatsiooni instituut. Ja siin on professor Anton Zeilingeri juhtimisel tehtud hulk eksperimente, mis ühtpidi avardavad meie mõistmist kvantmaailmast, teistpidi aga juhivad teed kvantarvutite ehitamiseks.
Kvantinstituudi eksperimendid
Füüsik Markus Aspelmeyer iseloomustab instituuti, kus temagi töötab, tõelise kvantinstituudina. Kui katseid alustati, polnud näiteks info kodeerimise kohta kvantsüsteemides midagi teada. Nüüd on selle kohta üle maailma juba poolsada rakendust.
Kunagi raadiumi uurimiseks ehitatud majas alustati 1990. aastatel kvantefektide uurimist üha suuremates objektides. Sealhulgas 60 aatomit sisaldavates sfäärilistes molekulides. Aspelmayer kirjeldab uut eksperimenti, mille käigus tahetakse jälile jõuda, kas kvantmaailma efektid mõjutavad ka meie maailma esemeid. “Osakestel pole mingeid omadusi enne, kui me neid mõõdame,” kinnitab ta.
Järgmine eksperiment tahabki näha, kas makroskoopilised objektid võivad käituda nõnda, et me ei saa ütelda, et neil on omadused, enne kui me neid mõõdame. Kas näiteks liikuv peegel võib käituda kvantmehaanika reeglite kohaselt?
Lihtsustatult öeldes tulistatakse võnkuvat peeglit laserist pärit footonitega. Ning püütakse registreerida, kas peegel jääb tavapärasesse olekusse või satub eri olekute liitolekusse, nagu näiteks aatomid ja molekulidki.
Siin tuleb aga mängu Ludwig Boltzmanni konstant, mis tagab, et peegel liigub niikuinii, kui keskkond on soe. Sestap tuleb see jahutada, suisa absoluutse nulli lähedale.
“Nanoteadus on rajatud. Aju-uuringud on rajatud. Tahame teha midagi tõeliselt uut,” kommenteerib Zeilinger oma katsete mõtet. Ta näitab seni astronoomilisteks vaatlusteks kasutatud teleskoopi, mille abil on kavas saata kvantnähtusi kaugete vahemaade taha. Siiani on Zeilinger ja ta kolleegid mõõtnud kahe footoni olekute põimumise 144 km vahemaa kaugusel.
Kummaline, et Viinis ei tehta nii peeni katseid mitte keldris, nagu tavaks, vaid koguni neljandal-viiendal korrusel. Kas ei sega vibratsioon? “Kui tõeliselt tead, mida teed, siis saab töötada mis tahes laboris. Vibratsioonist võib püüda lahti saada, aga selle võib ka kavalalt elimineerida,” kommenteerib Zeilinger.
Kahtlased põhiprintsiibid
Zeilingeri kabinetis on kirjutuslaud, mida saab tõsta üles ja kirjutada selle taga püsti, nagu keskaja mungad seda tegid. Siin on ka Boltzmanni tahvel, kuhu, tõsi küll, kirjutatakse nüüd kvantmehaanika valemeid. Viini teaduspõlvkondade eeskujul filosofeerida armastav Zeilinger väidab, et kvantmehaanikal puudub põhiprintsiip – nii nagu seda on gravitatsioonil. “Kvantmehaanika on perfektne teooria, see on absoluutselt korrektne. Kuid kontseptuaalselt on meil siiani raskusi,” ütleb ta ja lisab, et tema tahaks näha, mis asub kvantmehaanikast kaugemal. “Newtoni mehaanikale järgnes relatiivsusteooria, mis ei lükanud seda küll ümber, aga täpsustas. Nõnda peaks ka kvantmehaanikast olema midagi edasi.”
Kuid kas saame minna edasi, kui kvantmehaanikast siiani täpselt ei teata? “Me võime ütelda, et ei tunne isegi klassikalist mehaanikat,” pareerib Zeilinger, “üks viise uut teada saada, on teha eksperimente.”
Siiamaani pooldab Zeilinger siiski Niels Bohri Kopenhaageni koolkonna interpretatsiooni. “Pooldan, sest see ei kasuta mingeid eeldusi, mida pole ilmtingimata vaja. Nagu paljude maailmade hüpotees seda näiteks on. Multiversumi idee on vaid matemaatiliselt mugavam. Kuid mina seda ei usu.”
Mida aga teha gravitatsiooniga, mida pole suudetud kvantmehaanikaga ühildada? “80 aasta jooksul on paljud väga targad inimesed sellega tegelnud. Kuid hakkama pole saadud. Võib-olla osutab see, et meie põhiprintsiibid on valed,” kordab Zeilinger uuesti. “Me peame lõppude lõpuks siiski mitte avaldama oma arvamust, vaid teostama eksperimente. Paljude maailmade ideed ei ole võimalik ümber lükata muidu, kui et see mingit otsa pidi satuks vastuollu kvantmehaanikaga.”
Ta jätkab: “Kõige tähtsam eksperiment minu jaoks oli kolme osakese kvantpõimumise näitamine. Siis ei teadnud me, et see eksperiment on tähtis ka kvantarvutite seisukohast vaadates. Nii et me avasime tegelikult sealgi uusi võimalusi. Nüüd katsume leida kvantefekti mikromehaanilistes seadmetes. Kahekümne aasta eest poleks ma teadnud, mis tuleneb kvantpõimumisest. Et see on seotud arvutustehnika arenguga.”
