Teadlaste valmistatud seade, mille liikumist saab kirjeldada vaid kvantmehaanika, võib tulevikus panna proovile meie reaalsusetaju.
See masin ei pruugi küll osutuda nii kasulikuks kui Ford T, kuid oma põhimõtte uudsuselt ületab sel aastal esmakordselt avalikkuse ette toodud pisike masin Henry Fordi kuulsad autod ning ka kõik muud masinad. Siiani on kõik masinad liikunud klassikalise mehaanika seaduste järgi, uus seadeldis hüpleb aga nii, et seda saab kirjeldada vaid kvantmehaanika kummastavate seaduste abil, mida muidu kasutatakse näiteks molekulide, aatomite ja subatomaarsete osakeste liikumise kirjeldamiseks. Selline “kvantmasina” prototüüp avab uksed terve hulga uute katseseadmete juurde, see paneb proovile ka meie reaalsustaju. Selle eksperimendi potentsiaali ning leidlikkuse tõttu nimetaski ajakiri Science seadet 2010 Aasta Läbimurdeks.
Teadlased saavutasid liikumise lihtsaimad kvantolekud just selle vibreeriva masina abil, mis on niisama pikk kui lai on juuksekarv. Pilt: Sciencemag.org
Pisikeste asjade maailm ei näe välja üldse selline, nagu on meie igapäevane maailm. Kvantteooria ütleb, et näiteks aatomid ja molekulid saavad energiat neelata vaid kindlate koguste kaupa, nad pole kunagi täiesti paigal ning nad saavad sõna otseses mõttes olla kahes kohas korraga. Teadlased on seesuguseid ning veel imelikumaidki kvantefekte täheldanud lugematul hulgal aatomite, molekulide, subatomaarsete osakeste, valguse, elektrivoolude ning isegi vedela heeliumiga läbi viidud eksperimentides. Inimkätega tehtud objektide puhul pole aga keegi selliseid omadusi veel näinud.
See ei tähenda muidugi seda, et füüsikud poleks seda üritatud. Teadlased valmistasid pooljuhtidest pisikesi talasid, mille laius oli kõigest mõni nanomeeter ning pikkus mõni mikromeeter. Selline tala ehk nn. ostsillaator vibreerib kindlal sagedusel, just nagu kitarrikeel, ning vastavalt kvantteooriale neelab või kiirgab see energiat ainult kvantidena, millede suurus on võrdeline tala võnkesagedusega. Et selliseid efekte näha, peavad füüsikud esmalt objektist kogu lisaenergia (energia kvandid) välja saama, et tala jääks kõige madalama energiaga olekusse, nn. põhiolekusse. Isegi siis ei seisa tala täiesti paigal, sest kvantmääramatus nõuab, et sel oleks alati vähemalt poolkvant energiat ning et see tantsiskleks kustumatult “nullpunkt-liikumist”.
Et viia tala oma põhiolekusse pidid füüsikud selle peaaegu et absoluutse nullini jahutama. Samuti tuli kvandid teha võimalikult suureks, selleks tuli teha talad võimalikult vähepainduvaks, suurendades nii selle võnkesagedust (mida suurem sagedus, seda suurem energia). See vähendab aga ka liikumise amplituudi, muutes selle raskemini detekteeritavaks. Seetõttu kasutavad paljud uurimisgrupid tala jahutamiseks ja selle liikumise detekteerimiseks lasereid või mikrolaineid.
Grupp Ameerika Ühendriikide füüsikuid leidsid aga kavalama mooduse. Tala asemel valmistasid nad alumiiniumiga kaetud alumiiniumnitrdiidist ülipisikese hüppelaua sarnase objekti, mis vibreeris paksema ja õhema oleku vahel. Võnkudes väga kõrgel sagedusel – hämmastaval 6-miljardil võnkel sekundis – tekitas “piesoelektriline” materjal selles piniseva elektrivälja, mille olemasolu oli lihtne kindlaks teha. Veelgi olulisem on aga, et tänu sellele väljale õnnestus füüsikutel ühendada mehaaniline seade faasi kvantbiti nimelise elektroonilise seadmega – see koosneb ülijuhtrõngast, millel on üks madalaenergialine ning üks kõrge energiaga kvantolek.
Manipuleerides kvantbitti mikrolainetega said teadlased seda kasutada ostsilaatorisse energia viimisel või sellest välja võtmisel. Esmalt näitasid nad, et jahutades ostsilaatori mõne sajandiku kraadini, ei olnud sellest võimalik ühtegi kvanti kätte saada. See tähendas, et see pidi olema oma põhiolekus, olles vaid oma nullpunkt-liikumises. Seejärel panid teadlased ostsillaatori vaid ühe kvandi võrra energeetilisemasse olekusse. Nad sundisid seda isegi kahes olekus korraga olema, mistõttu see liigutas sõna otseses mõttes kahte kvanti korraga.
Selle skeemi geniaalsus seisneb ostsilaatori ülesehituses ning kvantbiti kasutamises selle kontrollimiseks. Nimelt kasutas grupp 2009. aastal kvantbitti selleks, et anda kvante pikale ülijuhtmetallist ribale, mis mikrolainete piirkonnas helises. Efektist aru saamise järel asendati ülijuhtriba enda väljatöötatud kavala ostsillaatoriga – liigutus, mis pani teised füüsikud endale kõrvakiilu lööma, imestades, et nad ise selle peale tulnud ei olnud.
Mis sellest seadmest aga kasu on? Põhilistes uurimustöödes saaks lihtsatest kvantmasinatest valmistada ülitundlikke jõudetektoreid või genereerida nende abil valguse kvantolekuid. Suuremas skaalas saaks neid kasutada aga kvantteooria piiride ning meie reaalsustaju testimiseks. Miks ei saa auto või inimene olla kahes veidi erinevas kohas korraga? Kas mingi printsiip keelab selle? Üks viis seda välja uurimaks on panna üha suuremaid asju sellistesse olekutesse.
Selline kvantmehaanika testimine jääb aga kaugesse tulevikku. Siiski üritavad teised teadlasterühmad juba praegu inimesesuuruste objektide liikumise kvantkontrollini jõuda. Näiteks, pärast selle viie aasta pikkust uuendamist saab Gravitatsioonilise Laine Observatooriumis(Gravitational-Wave Observatory), mille asukohad on Livingston, Luisiana ning Hanford Ameerika Ühendriikides, olema 40-kilogrammiste peeglite paar, mis jahutatakse laseritega maha kuni oma põhiolekuteni, tänu millele saavad füüsikud viia läbi väga suures skaalas eksperimente.
Esmalt pidid füüsikud aga viima mehaanilise objekti selle põhiolekusse. Ning sellega nad 2010. aastal just hakkama saidki.
Allikas “The First Quantum Machine”
Teadusartikkel “Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator“