Hyppää pääsisältöön

Kvantit ovat jo arjessamme – Haluatko ymmärtää niiden toimintaa? Kuvittele itsesi mäkiselle pyöräretkelle

pyöräilijä polkee mäkistä tietä
pyöräilijä polkee mäkistä tietä Kuva: Unsplash / David Marcu Yle Tiede

“Jos luulet ymmärtäväsi kvanttimekaniikkaa, et ymmärrä kvanttimekaniikkaa,” lausui nobelisti Richard Feynman. Mutta yritetään kuitenkin, sillä kvantit ovat jo arjessamme! Esimerkiksi tuikitavallinen muistitikku toimii kvanttien voimalla. Sen toimintaa voi ymmärtää, jos kuvittelee itsensä mäkiselle pyöräretkelle, kirjoittaa teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen blogissaan.

Lehtien tiedesivut pursuavat huikeita ennusteita tulevaisuuden kvanttitietokoneen kyvystä toimittaa kaikki mahdolliset laskutoimitukset yhtä aikaa. Silloin tiukimmatkin salaukset murtuvat, ja koneet ryhtyvät tekemään taiteenkin puolestamme.

Täytyyhän siis kvanttien olla niin korkealentoista tieteenfilosofiaa, ettei niillä ole merkitystä arkipäivän pyrkimyksillemme? Vaan ei! Usko pois: kvantit ovat jo keskellämme. Esimerkiksi muistitikku toimii kvanttien voimalla, hyödyntäen pienoismaailman outoa ilmiötä nimeltä tunneloituminen.

Mistä tunneloitumisessa on kysymys? Siinä hiukkanen pujahtaa läpitunkemattoman esteen läpi salavihkaisesti hetkellä, joka määräytyy satunnaisesti. Ihmisen kokoiseen maailmaan siirrettynä ilmiötä voisi ajatella mäkisenä pyöräretkenä, johon liittyy sekä vahinko että onnenpotku.

Kuvittele pyöräileväsi lavatansseista mökille valoisana kesäyönä. Matkaa ei ole paljon jäljellä, enää pieni mäki ja sitten isompi ylitettävänä, ja siellä mökki jo odottaa. Mutta ensimmäisen mäen harjalla pyöräsi ketju katkeaa! Pahuksen pahus, tämä tietää taluttamista.

mäkinen tie auringonnousussa
Ensimmäisen mäen harjalla pyörästäsi katkeaa ketjut. Pahuksen pahus! mäkinen tie auringonnousussa Kuva: Unsplash / Matt Howard Yle Tiede

Päätät ottaa pienestä alamäestä kaiken irti. Suunnitelmasi on istua sitkeästi satulassa niin pitkälle kuin vauhtia riittää. Laskettelet pikkumäen alas hihat lepattaen, ja suurempaa mäkeä ylös noustessasi fillarin kulku hiipuu. Mitä tapahtuu seuraavaksi?
(a) Nouset vanhan vauhdin voimalla ylämäkeen täsmälleen pienemmän mäen korkeudelle.
(b) Vauhti riittää melko ylös, mutta kuitenkin matalammalle kuin pieni mäki.
(c) Huristelet satulassa istuen, mitään tekemättä, ison mäen toiselle puolelle.

Oikea vastaus on (b). Pienen mäen tarjoama potentiaalienergia muuttuu alamäessä liike-energiaksi ja jälleen ylämäessä takaisin potentiaalienergiaksi. Pyörän laakereiden kitka, ilmanvastus sekä kumien letkeä vuorovaikutus soratien kanssa verottavat osan energiasta, eikä sinun ole mahdollista päästä pienen mäen huippua korkeammalle.

Jos tunneloituminen toimisi ihmisille ja toistaisit tuon mäenlaskun sata kertaa, pujahtaisit kerran tai kaksi korkeamman mäen läpi suoraan mökin ovelle.

Jos tunneloituminen toimisi ihmisille ja toistaisit tuon mäenlaskun sata kertaa, pujahtaisit kerran tai kaksi korkeamman mäen läpi suoraan mökin ovelle. Vieläpä kulkematta ison mäen harjan kautta!

Tiedon tallentaminen muistitikulle perustuu tuohon outoon tunneloitumisilmiöön. Digitaalinen tieto koostuu ykkösistä ja nollista. Muistitikulla on suuri määrä sähköisiä koloja, joihin voidaan sijoittaa elektroneja. Kolot on vuorattu sähköä eristävällä kerroksella. Elektroneja sisältävä kolo vastaa nollaa ja tyhjä kolo ykköstä; upouuden muistitikun kaikki kolot ovat tyhjiä eli tikku on täynnä ykkösiä. Miten tikku ujuttaa elektroneja eristeen läpi niihin koloihin, jotka vastaavat tiedoston nollia?

pyörän rengas ruohikolla
pyörän rengas ruohikolla Kuva: Unsplash / Anton Darius Yle Tiede

Juhannuspyöräilyyn verraten tilanne on se, että ison ja pienen mäen sijasta näetkin kaksi vierekkäistä Mount Everestiä. Niiden välissä on laakso, ja sinä olet ulkopuolella ketjuttomine pyörinesi Tahkovuoren kokoisen nyppylän huipulla. Edes tunneloituminen ei sinua auta näin suurten korkeuserojen tapauksessa, koska läpipääsyn todennäköisyys on häviävän pieni: vaikka laskettelisit miljoona kertaa Tahkovuorelta Everestille, et pujahtaisi läpi.

Tiedon kirjoittamista varten muistitikun ohjauselektroniikka käyttää jännitettä, joka madaltaa nuo Everestit väliaikaisesti vain Haltitunturin korkuisiksi. Nyt tunneloitumisen todennäköisyys kasvaa niin suureksi, että pääset kvanttimuljahtamaan Tahkovuoren huipulta laakson puolelle. Tunneloitumisen jälkeen tikun komentokeskus poistaa jännitteen, ja siellä pysyt suojaisassa laaksossa toimittamassa elektronin virkaa, ylpeänä nollaa edustaen ja valmiina putkahtamaan taas ulos tunturin läpi, kun käyttäjä lukee muistitikun tietoja.

Muistitikku siis jo käyttää arkijärjelle käsittämätöntä kvanttitemppua säännönmukaisesti teknisenä apuvälineenä. Tervetuloa, kvanttitietokonekin!

teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen
Teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen Kuva: Yle Kuvapalvelu / Jukka Lintinen prisma studio

Kirjoittaja: Samuli Siltanen

Teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen näkee matematiikkaa lääkärin röntgenlaitteessa, huulipunamallien siloposkikuvissa ja hämähäkkien ruuanhankinnassa. Hän tutkii Helsingin yliopistolla käänteisiä ongelmia, joissa edetään seurauksista syihin. Samuli viihtyy painavien asioiden, kuten kahvakuulien ja kamerajalustojen, parissa.

Yle Tieteen asiantuntijat bloggaavat itselleen tärkeistä tiedeaiheista.

Tule mukaan kokeilemaan Ylen tiedekirjettä!

Liity Yle Tieteen yhteisöön Facebookissa.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Uusimmat sisällöt - Tiede