Tutkijat onnistuivat estämään kvanttitiedon katoamisen

​Kvanttimekaniikka kuvaa hyvin pienien fysikaalisten systeemien, esimerkiksi valohiukkasten, käyttäytymistä. Valohiukkasia, eli fotoneita, käytetään myös klassisten bittien kvanttimekaanisena vastineena, eli kvanttibitteinä. Kvanttimekaanisia ominaisuuksia, kuten superpositioita ja kvanttikietoutumista, voidaan käyttää hyväksi teknologiassa, tehokkaassa laskennassa ja viestien salauksessa.

– Nämä ominaisuudet ovat erittäin hauraita ja yleensä häviävät nopeasti niin sanotun dekoherenssin ja kvanttimelun seurauksena. Tällöin kvanttibitin sisältämä tieto vuotaa ympäristöön ja häviää tavoittamattomiin. Sekä perustutkimuksen että teknologisten sovellusten kannalta on tärkeää ymmärtää, miten kvanttitieto häviää, sekä löytää keinoja kvanttisysteemien käyttäytymisen kontrolloimiseksi ja tiedon häviämisen estämiseksi, sanoo yliopistotutkija Jyrki Piilo Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitokselta.

Turun yliopiston kvanttifysiikan keskuksen ja University of Science and Technology of Chinan tutkimusryhmät ovat nyt ensimmäistä kertaa näyttäneet sekä teoriassa että kokeellisesti, miten kvanttibitistä ympäristöön virtaavaa informaatioita voidaan kontrolloida. Ryhmät osoittivat myös, että kvanttitiedon häviäminen voidaan joissakin tapauksissa jopa estää.

– Työmme perustuu fotonien ominaisuuksien tutkimiseen ja niiden tarkkaan kontrolliin laboratoriossa. Ratkaisevaa tuloksen aikaansaamiseksi oli ymmärtää ensin teoreettisesti, miten fotonin polarisaation ja taajuuden välille voidaan luoda alussa sopiva yhteys, ja sitten toteuttaa tämä laboratoriossa käyttäen erittäin hienovaraisia ja haasteellisia kokeellisia tekniikoita. Kun kvanttibittinä toimiva fotoni – ja sen ympäristö – on ensin alustettu oikeaan tilaan, tämän jälkeen voidaan kontrolloida mielivaltaisesti, miten kvanttibitin sisältämä tieto häviää tai palautuu, ja se saadaan jopa vangituksi tai suojatuksi häiriöiltä, Piilo kertoo.

Piilon mukaan tutkimuksen tuloksilla on merkitystä perustutkimukselle ja kvanttiteknologioiden kehittämiseen.

– Yksittäisiä fotoneja voidaan nyt käyttää myös monien muiden kvanttimekaanisten systeemien, kuten magneettisten spinsysteemien, käyttäytymisen simuloimiseksi. Toisaalta tulokset antavat perustavaa laatua olevaa tietoa avoimien kvanttisysteemien käyttäytymisestä erilaisissa ympäristöissä. Tutkimuksen tulokset mahdollistavat myös keinotekoisten ympäristöjen rakentamisen kvanttibiteille. Näitä ympäristöjä ei esiinny luonnostaan muualla, mutta niitä voidaan tuottaa laboratoriossa, toteaa tohtorikoulutettava Henri Lyyra Turun yliopistosta.

Turun yliopiston kvanttifysiikan keskuksen tutkijat vastasivat tutkimuksen teoreettisesta puolesta, ja mukana tutkimuksessa oli Piilon ja Lyyran lisäksi teoreettisen fysiikan professori Sabrina Maniscalco. University of Science and Technology of Chinan tutkijat Chuan-Feng Li ja Guang-Can Guo tutkimusryhmineen vastasivat kokeellisesta toteutuksesta.

>> Tutkimus julkaistiin tiedejulkaisu Nature Communicationsissa

JV