Image

Vuotta 1925 pidetään yleisesti kvanttimekaniikan syntymävuotena, joten elämme toisen kvanttivuosisadan alkua. Tämä antaa hyvän syy miettiä kvanttifysiikan nykytilannetta ja tieteenalalla tapahtuvaa kehitystä.

Keskeinen ja näkyvä muutos liittyy tieteenalan laajenemiseen ja yhä läheisempään kytkökseen teknologian kanssa. Englanninkielinen lyhenne QST, joka tulee sanoista quantum science and technology,  onkin alkanut vakiintua käyttöön. Mistä kvanttiteknologiassa on kyse? Entä miksi kvanttifysiikka ei yksinään riitä, vaan on alettu puhua kvanttitieteestä?

Nykyään on tapana jakaa kvanttiteknologia ensimmäiseen ja toiseen sukupolveen. Kvanttifysiikan ensimmäisten vuosikymmenien aikana tutkimus keskittyi materian ominaisuuksien ymmärtämiseen. Ensimmäisen sukupolven kvanttiteknologiaan kuuluu esimerkiksi transistori ja laser. Kvanttimekaniikka selittää näiden laitteiden toiminnan, mutta niissä ei suoraan käytetä hyväksi kvantti-ilmiöitä.

Laser on erityisen havainnollinen esimerkki, sillä sen voi nähdä ja itse todeta, että kyseessä on jotakin muuta kuin taskulampun valo. Silti laser ei ole ”kvanttivaloa” siinä mielessä, että sen määrittävät fysikaaliset ominaisuudet, monokromaattisuus ja koherenssi, voi ymmärtää ilman kvanttifysiikkaa. 

Toisen sukupolven kvanttiteknologiassa käytetään suoraan hyväksi kvanttiominaisuuksia, erityisesti superpositiota ja lomittumista. Tyypillisesti sovelluksissa manipuloidaan yksittäisiä kvanttisysteemejä siinä missä ensimmäisen sukupolven sovellukset ovat luonteeltaan tilastollisia. 

Valoa pystytään nykyisin tuottamaan yksi fotoni kerrallaan, ja näin saadaan esille valon varsinaisia kvanttiominaisuuksia. Kvanttivalon paraatiesimerkki on lomittunut fotonipari. Niitä tuottavan laitteen voi ostaa jo kaupastakin. Luultavasti lomittuneet fotoniparit tulevat olemaan hyvin monenlaisessa roolissa toisen sukupolven kvanttiteknologiassa, samoin kuin laser on työjuhta ensimmäisen sukupolven teknologiassa.

Kvanttifysiikka-sanan riittämättömyys kuvata kvantti-ilmiöitä käsittelevää tieteenalaa ei sekään ole uusi asia. Erityisesti kvanttikemialla on pitkä historia. Jonkinlainen vaiheen muutos on tässäkin silti nähtävissä. Kvanttisysteemien tutkimus ei enää rajoitu luonnontieteisiin, vaan se on tullut varteenotettavaksi tutkimusaiheeksi myös informaatiotieteiden näkökulmasta.

Kvanttilaskenta, kvanttisalaus ja kvanttiohjelmointikielet ovat esimerkkejä teemoista, jotka ylittävät perinteiset tieteenalojen rajat. Nämä ja monet muut informaatioon liittyvät aiheet ovat muuttuneet marginaalisista aiheista keskeisiksi tutkimuskohteiksi. Kvanttitiede ei omaan korvaani kuulosta kovin luontevalta, mutta kai siihen pitää alkaa totutella.

Antamani kuvauksen perusteella kvanttimekaniikan  kehityskulku on mahdollista mieltää siirtymänä perustutkimuksesta monitieteiseksi teknologiaksi. Kyseessä on kuitenkin tätä monitahoisempi vuorovaikutus.

Aikoinaan kvantti-käsite keksittiin selittämään mustan kappaleen säteilyä, mikä kuulostaa täysin teoreettiselta ongelmalta. Kiinnostusta asiaan vauhditti kuitenkin sen aikainen nouseva teknologia, nimittäin hehkulamppu. Oli tarve ymmärtää, kuinka kuuma kappale säteilee valoa ja miten sitä voidaan maksimoida.

Kvanttitiede ja kvanttiteknologia ovat toisiaan ruokkivassa suhteessa ja perustutkimus voi vahvasti. Perustavanlaatuisin kysymyksiin keskittyvänä teoreettisena kvanttifyysikkona minulla ei ole tarvetta puolustaa tieteenalaani tunkeilijoilta, vaan toivotan muutoksen tervetulleeksi. Seuraavaa vuosisata alkaa suotuisissa merkeissä.

•

Lue myös:

Kuka tarttuu toimeen, kun tiedettä uhataan?

Köyhien maiden opiskelijoiden rahoilla paikataan suomalaisten korkeakoulujen leikkauksia

Tuomas Lappi ja Kari J. Eskola tutkivat, miten aineen rakenne käyttäytyy äärimmäisissä olosuhteissa

•

Haluatko pysyä kärryillä uusimmista tiedeartikkeleista? Tilaa Tieteessä tapahtuu -uutiskirje!