Aurinkovalon yllättävä taito: kvanttikietoutta ilman Lasereita

Tämä kuulostaa scifiltä, mutta on täyttä totta: tutkijat ovat kehittäneet tavan käyttää tavallista auringonvaloa kvanttiketoutuksen luomiseen. Kyseessä on omituinen ilmiö, jonka Einstein kutsui "kaukana vaikuttavaksi haamutoiminnaksi".

Vielä äskettäin kvanttiketouma hyödyntäminen vaati lasereita. Ei yhtä tai kahta, vaan useita. Ja lasereiden pyörittäminen kuluttaa valtavasti sähköä. Kun kvanttiteknologian ambition kasvavat, kaikki tämä energiankulutus alkaa näyttää yhä suuremmalta ongelmalta.

Mutta nyt tapahtuu jotain jännittävää.

Ottawa-yliopiston ja Max Planck -instituutin tutkijaryhmä on julkaissut tulokset, jotka osoittavat: aurinkovalokin pystyy tähän. Ei millään lailla heikosti, vaan noin 94 prosentin vahvuisella ketoutumisella täydellisestä tilasta. Se on erittäin hyvä suoritus.

Mitä ihmettä kvanttiketoutuma oikein on?

Kuvittele, että sinulla on kaksi hiukkasta – sanotaan vaikka valofotoneita. Kun ne ovat kietoutuneet, tapahtuu jotain taianomaista: ne muuttuvat yhteen kytketyiksi tavalla, joka haastaa koko käsityksemme maailmankaikkeuden toiminnasta.

Mittaa toinen fotoni, ja tiedät samantien jotain sen kumppanista. Ei väliä kuinka kaukana ne ovat toisistaan. Muuta toinen, ja toinen reagoi. Kyse on ikään kuin kaksoshiukkasista, jotka aina tietävät mitä toinen puuhaa – vaikka toinen olisi Marsissa ja toinen pihallasi.

Tämä ei ole pelkkä kuriositeetti. Ketoutuma on kvanttilaskennan, murtamattoman salauksen ja äärimmäisen tarkkojen antureiden perusta.

Vanha ongelma

Fyysikot ovat olettaneet, että ketoutuman luomiseen tarvitaan hyvin tietynlaista, järjestäytynyttä valoa. Laserit tuottavat "koherenttia" valoa, jossa kaikki aallot etenevät täydellisessä tahdissa. Ajattele sotilasparaatia – jokainen sotilas täsmällisenä.

Auringonvalo sen sijaan on kaoottista. Se sisältää joka värejä, kulkee joka suuntaan ja käyttäytyy miten haluaa. Tutkijat uskoivat, että tämä epäjärjestys tekisi ketoutumisen mahdottomaksi.

Mutta tiede on joskus yllättävää: tärkeimmät löydöt syntyvät, kun kyseenalaistetaan ne "ilmiselvät" oletukset.

Valoa muistuttava hetki

Muutama vuosi sitten Ottawa-yliopiston tutkijat alkoivat kokeilla LED-lamppuja – arkipäiväisiä valaisimia, jotka eivät todellakaan tuota koherenttia valoa. Yllättäen he huomasivat, että nämä epäkoherentit valonlähteet pystyivät silti luomaan ketoutumista. Vaikka valo oli epäjärjestyksessä jossain ominaisuuksissa, se saattoi silti tuottaa kietoutuneita hiukkasia toisissa.

Tämä kylvi ajatuksen. Entä jos samaa periaatetta voisi viedä äärimmäisyyksiin jollain vielä kaoottisemmalla?

Se kysymys johdatti heidät aurinkovalon luo.

Auringonvalon kesyttäminen

Haaste oli valtava. Auringonvalo on hajaantunutta ja suuntaumatonta. Ketoutuman luomiseksi se pitää keskittää pienelle epälineaariselle kiteelle – vain noin millimetrin kokoiseen. Se on kuin yrittäisi täyttää thimble vesiletkulla, joka suihkuttaa auringonvaloa.

Ratkaisun keksivät Max Planck -instituutin tutkijat, jotka suunnittelivat nerokkaan kokolasisen aurinkokerääjän. Se käyttää Fresnel-linssiä – samantyyppistä kuin majakassa näkyy – ikkunan kokoiseen keräämään auringonvaloa ja ohjaa sen sitten kartion muotoisen järjestelmän läpi optiseen kuituun, ihmisen hiuksen paksuiseen.

Tällä kokoonpanolla he saattoivat suunnata keskitetyn auringonvalon pieneen kiteeseen ja katsella kvanttitaikuutta tapahtuvan.

Todellinen temppu

Mutta tutkimuksessa on vielä jotain nerokkaampaa. Tutkijaryhmä tajusi tärkeän asian: vaikka auringonvalo on kaoottista väreiltään ja suunniltaan, se saattoi silti tuottaa ketoutumista yhdessä ominaisuudessa – polarisaatiossa, eli käytännössä valoaaltojen heilumissuunnassa.

Suunnittelemalla laitteiston niin, että vain polarisaatio merkitsi ketoutumiselle, he saattoivat sivuuttaa kaiken muun epäjärjestyksen. Auringonvalo saattoi olla kaoottista joka muulla tavalla, ja se toimi silti.

Se on kuin sanoisi: "Toki orkesteri soi täysin epävireisesti ja puolet muusikoista lukee eri nuotteja – mutta kunhan rummut pitävät täydellistä tahtia, se riittää."

Miksi tällä on väliä?

Joten tutkijat voivat siis luoda ketoutumista auringonvalolla. Miksi sinun pitäisi välittää?

Aloitetaan satelliiteista. Tällä hetkellä jos haluat satelliitin luovan turvallisia kvantt加密密鑰, sinun täytyy pakata se täyteen lasereita ja kaikkea tarvittavaa laitteistoa niiden käyttövoimaksi. Se on painavaa, kallista ja virtasyöppö.

Auringonvalolla toimiva ketoutuma voisi mullistaa tämän. Satelliitti voisi käyttää runsaasti saatavilla olevaa aurinkoenergiaa samojen avainten luomiseen. Vähemmän laitteistoa, vähemmän painoa, vähemmän hajoamismahdollisuuksia avaruuden karussa ympäristössä.

Mutta suurempi kuva on vielä jännittävämpi. Kvanttitietokoneet ovat uskomattoman lupaavia, mutta niiden skaalaaminen on ollut helvetti monimutkaisuutta ja energiankulutusta. Jos auringonvalo voi auttaa ketoutuman tuottamisessa, ehkä olemme näkemässä kohti kvanttiteknologiaa, joka ei vaadi pienen kaupungin sähkö infrastruktuuria.

Saavutettavampaa. Kestävämpää. Mahdollisempaa.

Suurempi kuva

Se, mikä minuun tekee suurimman vaikutuksen tässä tutkimuksessa, ei ole pelkkä tekninen saavutus – vaan sen takana oleva ajattelutapa. Joku katsoi ongelmaa, josta kaikki olettivat olevan yksi ratkaisu, ja kysyi: "Mutta entä jos ei?"

Näin tiede etenee. Ei hyväksymällä mitä on aina kerrottu, vaan testaamalla oletuksia, työntämällä rajoja ja joskus huomaamalla, että "mahdoton" onkin täysin tehtävissä.

Joten kun seuraavan kerran lämmität itseäsi auringossa, muista tämä: sama valo, joka osuu kasvoihisi, saattaa joskus auttaa kvanttitietokoneita pyörittämässä, turvaamassa maailmanlaajuista viestintää tai tutkimassa kvanttifysiikan salaisuuksia tavoilla, joita emme ole vielä kuvitelleetkaan.

Ei hassummalta 4,6 miljardia vuotta vanhalle asialle.