teadus.ee » Arhiiv » Kvantpõimumine – osakeste lõppematu armastus

See teaduskirjanik Tiit Kändleri essee ilmus Maalehes 19. mail 2016.

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. Kvantpõimumist on näidatud ka aatomite ja nende väiksemate süsteemide puhul.

Armastus on meeletus, mis sarnaneb kvantpõimumisega. Kui armastus ka otsa saab, jääb see mõlemale osalisele mällu eluks ajaks, olgugi et üht või teist moodi moonutatud ja varjutatud kujul. Kui kaugele inimesed ka teineteisest ei elaks, ikka on kunagine armastus kuidagiviisi meeles. Kuid kvantpõimumine on midagi absoluutsemat kui armastus – see õhendus jääb kunagi ühenduses olnud osakeste vahele alatiseks. Ärge muretsege, kui see tundub mõistetamatuna: sellest polegi tavamõtlemisel võimalik aru saada, umbes nagu armastusestki. Isegi Einstein ei saanud, ei ühest ega teisest.

Miks ma räägin siin armastusest? Sest on hüpoteese, mis kujutavad meie aju kvantsüsteemina, milles ajurakke neuroneid siduvad võrgustikud pole kirjeldatavad klassikalise, meid ümbritsevat maailma küllaltki hästi kujutava lähenemisega.

Tontlik kaugmõju

Albert Einstein nimetas kvantpõimumist „tontlikuks kaugmõjuks“, sest põimumine lubab kahel osakesel olla silmapilkses ühenduses, nõnda et ühele osakesele suunatud tegevus mõjub teisele osakesele, isegi kui need asuvad teineteisest hirmkaugel. Nõnda nagu graafikult on näha, alustavad põimunud osakesed üles ja alla suunatud spinnolekutes. Spinn on kvant- ehk algosakesi iseloomustav kvantsuurus, mida on illustreeritud kui vurri pöörlemist ühes või teises suunas. Footonil ehk valgusosakesel võib olla kaks „pöörlemise“ ehk spinni suuda: üles või alla. Tavalises vabas seisundis on kvantosake liitolekus ehk kahe spinnisuuna superpositsioonis: kui seda mõõta, siis pooltel juhtudel nähakse üles, pooltel alla suunatud spinniga footonit.

Niipea kui footoni spinni suunda mõõta, võtab footon kindla oleku, kas spinni suunaga üles või alla. Sellele reageerib teine osake. Kui esimese osakese spinn on suunatud alla, siis teise osakese spinn on suunatud üles. Nõnda saab ühe osakese olekut mõõtes teada, milline on teise, algselt põimunud osakese seisund, viibigu see osake kuitahes kaugel.

Ameerika kvantfüüsik New Yorgi Union Colledge’i professor Chad Orzel, kes on avaldanud raamatu „Kuidas õpetada kvantfüüsikat teie koerale“. Chad Orzel on toonud näite, mida kuulsin ta suust Stockholmi Ülikoolis 2014. aasta  augustis toimunud põhjamaade kvantfüüsika keskuses Nordita toimunud seminaril. Tema koer ja tema sõbra koer on sõbrad. Kui kaks koera on koos, siis nad võiksid olla neljas olekus: magab kas üks või teine, samas kui tine koer on ärkvel. Võis siis on nad mõlemad ärkvel ja mängivad või siis magavad koos. Tegelikkuses realiseerub vaid kaks võimalust: koerad kas mõlemad magavad või on mõlemad ärkvel. Nõnda piisa vaid ühe koera nägemisest, kui on teada, kas teine koer magab või on ärkvel.

Samal seminaril tõi Viini Ülikooli kvantteaduste ja -tehnika keskuse Aspelmeyeri rühma teadlane Rainer Kaltenbaeck 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.

Milleks kasutada kvantpõimumist

Viini koolkonna värvikamaks juhiks on Viini Ülikooli professor Anton Zeilinger, kelle rühmal muude oluliste katsete seas õnnestus korduvalt mõõta kahe teineteisest 144 kilomeetri kaugusel asuva footoni kvantpõimumine kahe Kanaari saare vahel. „Meil on eksperimendi tulemused, milles keegi ei kahtle,“ kinnitas Zeilinger, kui ma 2007. aastal Viini Ülikoolis tema laboratooriumit külastasin. „Esineb korrelatsioon kahe kuni 144 kilomeetri kaugusel oleva punkti vahel. See tähendab, et otsustus, mida tehakse ühes otsas mõjutab teist otsa silmapilkselt. See on jälgitud tõsiasi. Teine asi on tõlgendamine.“

Praegu igatahes tõlgendatakse kvantosakeste põimumist nõnda: kvantmaailm ei ole lokaalne, nagu on makromaailm, vaid mittelokaalne. See tähendab, et kui meie oleme harjunud maailmaga, kus saame mõõta, kui kaugel on meie ees sõitev auto ja millise kiirusega see sõidab, kuni me seda autot näeme – see tähendab, et saame teha kohalikke ehk lokaalseid mõõtmisi, siis kvantmehaanika mittekohalik ehk „mittelokaalne“ ses mõttes, et väga suure kaugusega eraldatud paikades tehtud mõõtmised võivad üksteist mõjutada.

Muidugi ei meeldinud see idee Einsteinile, kes leiutas oma mõttelise eksperimendiga nn „varjatud muutujad“, mis on meie eest osakesse peitunud, ent teevad kvantmaailma inimesele mõistetavaks. Kuid kõik edukad katsed on tõestanud, et kvantmehaanika ei ole klassikaliselt mõistetav – see on mittelokaalne.

Kuid silmapilkne mõju on ju vastuolus üldrelatiivsusteooriaga ja valguse kiiruse lõplikkusega.

See tundub olevat vastuolus. Kuid tegelikult ei saa te ikkagi saata sõnumit valgusest kiiremini. Te saate vaid mõõta lokaalset süsteemi. Te saate küsida näiteks piljardipallilt, kas ta on siin või seal. Kuid ei saa sellele ette kirjutada kindlat vastust. Seepärast räägitakse kvantmehaanika ja relatiivsusteooria rahumeelsest kooseksisteerimisest.

„Meie tegutseme uudse kvantinformatsiooniteaduse alal, mis viib kokku kvantfüüsika, arvutiteaduse ja infotehnoloogiad,“ selgitab Stokholmi Ülikooli füüsikaosakonna professor Mohamed Bourennane, kes uurib footonite põimumist laborilaual. See teadus kasutab erinevaid kvantprintsiipe nagu kvantpõimumine ja superpositsioon, et lahendada infotöötlemist arvutamisel ja andmesidel. Teisisõnu – kvantarvutite loomisel ja teadete salakodeerimisel ehk kvantkrüptograafias. See on ka põhjus, miks kvantpõimumine on meile oluliselt tähtis, kui oleme juba kord digitaalse maailma poole oma seadmetega pöördunud. Uus teadusharu kvantbioloogia püüab leida, kas kvantpõimumine võib esineda ka suuremates elussüsteemide. Näiteks inimese ajus.

Kusagil valemite sees on peidus piir, mis eraldab meile tuntud suur maailma tillukesest maailmast. Ja see piir ei ole niigi terav nagu näiteks piir Eesti ja Läti vahel. Makromaailmas ei kehti omaenese seadused, see on vaid meie jaoks mugav lähendus maailmast, mis on igas mõõtmes kvantmaailm.

Väga nutikas. Kvantmehaanikat võib interpreteerida võibolla 1001 viisil. Me võime ehitada maailma üles stringi teooriast lähtuvalt, kuid see viis võib osutuda keerulisemaks kui olemasolevad teooriad. Kas siis Ockhami habemenoa printsiip, mis nõuab võimalikult lihtsat seletust, kvantmehaanikas ei kehti?

Tundub, et selle printsiibi rakendamine teaduses on küllalt edukas. Teeme seadused nii lihtsad kui võimalik, mida me peame ka ilusaks. Seletada maailma võimalikult vähese arvu sümbolitega. Kuid keegi ei tea, kas see printsiip kehtib alati. Mina arvan, et peame sellest siiski kinni pidama ja Kopenhaageni tõlgendus on kõige lihtsam. Kuid selgust toob tulevik, mil selgub ühe või teise teooria rakendatavuse võimalikkus. Küllap asendab mõni uus teooria ka kvantmehaanikat.