Uutisia

Takaisin

Suomalais- ja yhdysvaltalaistutkijat onnistuivat solmimaan maailman ensimmäiset kvanttisolmut – CSC:n koneilla tehty mallinnus oleellinen osa tutkimuksen onnistumista

Aalto-yliopiston ja yhdysvaltalaisen Amherst Collegen tutkijat ovat onnistuneet havaitsemaan sekä solmimaan kvanttisolmun ensimmäisenä maailmassa. Käytännössä tällä tarkoitetaan solmuja, jotka on muodostettu kvanttisysteemiä kuvaavassa kentässä. Systeemi tunnetaan myös Bosen-Einsteinin kondensaattina.

– Jokainen ymmärtää, että solmut ovat aika arkisia asioita ja niitä on tuhansia vuosia osattu solmia naruihin. Mutta tällaisiin kvanttikenttiin niitä ei ole koskaan aikaisemmin tehty, vaikka sitä on vuosikymmeniä uumoiltu, että niitä pitäisi olla, ja on toivottu, että joku niitä tekisi, kertoo professori Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta.

Solmua varten tarvitaan ensin suprajuoksevaa eli vapaasti virtaavaa atomikaasua kuvaava kenttä – kvanttimekaaninen kenttä. Solmussa kenttää halkoo lukematon määrä suljettuja renkaita, jotka linkittyvät toisiinsa. Jokainen yksittäinen rengas vastaa tiettyä suuntaa kvanttikentästä ja on osa hiukkasmittakaavan aaltoa.

 

Visualisointi tutkijoiden muodostaman kvanttisolmun rakenteesta. Jokainen värillinen nauha edustaa joukkoa lähekkäisiä solmulla olevan kvanttikentän suuntia. (Kuva: David Hall)

 

Solmuista sovelluksiin?

Suoraa sovellusta kvanttisolmuilla ei vielä ole. Möttönen uskoo, että löydöstä voi kuitenkin poikia hyötyä tulevaisuudessa kosmologian tutkimuksessa tai vaikkapa topologisen kvanttitietokoneen kehittelyssä.

Yksi ajatus siitä, miten kvanttitietokone voitaisiin rakentaa, voisi olla erilaisten solmujen solmiminen. Tietynlainen solmu vastaisi tietynlaista laskentaa.

– Toki en väitä, tämä meidän solmu olisi samanlainen kun se, mikä topologisessa kvanttikoneessa halutaan tehdä, mutta se on ylipäänsä ensimmäinen solmu kvanttisysteemiä kuvaavassa kentässä. Isoin juttu tässä on, että nyt on sekä tehty että havaittu näitä solmuja, ja niitä on numeerisesti simuloitu CSC:n koneilla. Meillä on malli ja koe, ja ne vastaavat yksi yhteen toisiaan ilman mitään sovitusparametrejä, Möttönen summaa.

Mallinnus tärkeä osa tutkimusta

CSC:n ja Aalto-yliopiston koneilla suoritettu mallinnus onkin tärkeä osa tutkimusta. Sen avulla pystyttiin ennakoimaan, pitäisikö varsinaisen kokeen tuottaa solmu ja miltä sen pitäisi näyttää. Koelaittoiston aiheuttamien rajoitteiden takia malleja ja kokeellisen tutkimuksen tuloksia vertailemalla voitiin olla varmoja, että solmut olivat todella syntyneet.  

– Myöhemmin tajusimme, että solmun voi nähdä suoraan myös kokeellisesta tuloksista, Mikko Möttönen kertoo.

Möttösen mukaan simulointi ennen kaikkea nopeutti tutkimusprosessia. Mitä lyhyempi on numeeriseen tutkimukseen kulutettu aika, sen nopeampaa on tutkimuksen tekeminen.

– Ihmiset voivat ajatella, että miksi tarvitsee uuden supertietokoneen, että eikö ne voi vain odottaa kauemmin. Silloin kun tietokone raksuttaa, voi tehdä jotain muuta. Mutta se on väärä kuvitelma. Mitä nopeampi laskutoimitus on, sitä nopeammin voimme käyttää sen tuloksia korjaamaan hypoteeseja, ja sitä nopeammin voimme tehdä tutkimusta.

Sitä nopeammin päästään myös tekemään jatkotutkimusta. Nyt saadut tulokset ovatkin merkittävä oven avaus uudelle tutkimukselle ja tutkimuslaitteiston kehittämiselle.

– Tämä on valtavan hieno ja pitkällisen työn tulos. Vuosia olemme tehneet yhteistyötä ja tässä nyt sitten saadaan niitä palkintoja. Vaikka olemme tässä paljon parempia, kuin kukaan muu tällä hetkellä, niin sanomani on, että joku voi tehdä tämän joskus paljon paremmin. Tämä ei ole mikään päätepiste solmututkimukselle, vaan tässä nimeen omaan avataan tie monille uusille kokeille.

Tulokset julkaistiin maanantaina fysiikan alan arvostetuimmassa julkaisussa Nature Physicissa. Katso kvanttisolmututkimusta havainnollistava video.

 

 

Lue myös: