Kvanttilomittuminen ylittää taikurinkin temput
Kvanttilomittumista ei voi havainnollistaa oikein muuten kuin vertaamalla sitä taikuuteen. Siispä tarinamme alkaa tällä kertaa taikurista, jolla on kaksi taikanoppaa. Niitä hän esitteli kaveruksille Antille ja Bertalle. Kun toista nopista heittelee, ei huomaa mitään erikoista vaan noppa antaa kaikkia silmälukuja satunnaisesti. Mutta kun noppia heittää yhtä aikaa, homma menee oudoksi - nopat antavat saman silmäluvun joka kerta.
Antti ja Bertta menivät eri huoneisiin heittämään noppia, kirjasivat silmäluvut ylös ja tulivat vertaamaan tuloksia. Tosiaankin, he olivat saaneet samat tulokset joka kerta.
Antti ja Bertta olivat ensin ihmeissään nopista, mutta hetken pohdittuaan he eivät pitäneetkään niitä niin merkillisinä. Ehkäpä taikuri oli arponut pitkän listan lukuja valmiiksi ja rakentanut sitten jonkin mekanismin noppien sisälle, joka sai nopat antamaan tuon ennalta arvotun silmäluvun. Eihän tässä taikuutta tarvitakaan.
Voiko taikuria huijata?
Antti jäi miettimään, että minkälainen temppu voisi osoittaa taikuutta. Tämän pitäisi olla sellaista noppien käyttäytymistä, mitä ei voi saada aikaan ennalta arvotulla lukulistalla ja noppien sisäisellä koneistolla.
Antti keksi seuraavan tempun, johon tarvitaan neljä noppaa. Antilla on sininen ja vihreä noppa, Bertalla taas punainen ja oranssi noppa. He menevät eri huoneeseen heittämään noppia. Noppia heitellään useampi kierros ja jokaisen kierroksen aluksi kumpikin valitsee satunnaisesti toisen nopistaan. Tämä valinta pidetään salassa, kunnes noppia on heitetty.
Jos heittovuorossa ovat sininen-punainen, sininen-oranssi tai vihreä-punainen, tulee noppien antaa sellaiset silmäluvut, joiden summa on parillinen. Jos taas yhdistelmä on vihreä-oranssi, tulee noppien silmälukujen summan olla pariton.
Taikuri koitti rakentaa vaaditunlaiset nopat. Ei ole heti ilmeistä, etteikö lukulistalla ja noppien sisäisellä koneistolla voisi saada aikaan sopivia silmälukuja.
Antti oli kuitenkin miettinyt haasteen tarkkaan.
Sinäkin voit tehdä taulukon 16:sta valinnasta, jossa kukin neljästä nopasta on silmäluvultaan joko 1 tai 2. Taulukosta näet, että jokaisessa mahdollisessa valinnassa jokin ehdoista menee pieleen. Sama pätee silloinkin, kun noppien silmäluvut ovat jotakin muuta. Näin ollen, jos noppia heitellään pitkään ja verrataan sitten, miten tempussa kävi, niin neljäsosassa tapahtumia nopat antavat vääränlaiset silmäluvut.
Ennalta kirjoitetulla listalla voi siten onnistua tempussa 75 kertaa sadasta.
| Antin nopat |
Bertan nopat |
Valitut nopat |
||||||
| sin | vihr | pun | orans | sin-pun | sin-orans | vihr-pun | vihr-orans | |
| 1. | 1 | 1 | 1 | 1 | O | O | O | V |
| 2. | 1 | 1 | 1 | 2 | O | V | O | O |
| 3. | 1 | 2 | 1 | 2 | O | O | V | V |
| jne. | ||||||||
| Ennalta sovitulla lukulistalla ei voi toteuttaa kaikkia neljää ehtoa. Vähintään jossakin valitussa parissa saadaan väärä yhteistulos. |
||||||||
Noppatempussa kannattaisi hyödyntää kvanttilomittumista
Taikuri ei pystynyt Antin pyytämiä noppia rakentamaan ja luovutti. Bertta alkoi miettiä keinoa, jolla huijata tällä kertaa taikuria, joka ei ehkä ole opiskellut kvanttifysiikkaa. Bertta kertoi taikurille, että he pystyvät loihtimaan halutunlaiset taikanopat.
Antti ja Bertta menivät huoneisiinsa ja ottivat mukaansa ennalta valmistettuja kvanttisysteemejä. Taikuri sai määrätä, ilmoittaako Antti silmäluvun siniselle vai vihreälle nopalle ja Bertta punaiselle vai oranssille nopalle. Nopan heiton sijaan Antti ja Bertta tekivätkin kvanttisysteemeilleen mittaukset ja kertoivat saamansa mittaustulokset.
Kun kvanttisysteemit ovat sopivissa tiloissa ja mittaukset tehdään sopivasti, niin Antti ja Bertta pystyvät onnistumaan tempussa jopa 85 kertaa sadasta.
Tässä olennaista on se, että kvanttisysteemit ovat valmisteltu lomittuneeseen yhteistilaan. Taikuri oli ihmeissään: miten Antti ja Bertta pystyivät ylittämään valmiilla lukulistalla toteutetun tuloksen! Toki vielä enemmän ihmeissään hän olisi ollut täydellisestä tuloksesta, mutta kaikellahan on rajansa, kuten tiedämme.
Kvanttilomittuminen ei ole gravitaation kaltaista vuorovaikutusta
Mitä kvanttilomittuminen sitten oikein on? Kvanttilomittuminen on kahden tai useamman kvanttifysikaalisen systeemin yhteinen ominaisuus, joka niille saattaa tulla, kun ne ovat vuorovaikuttaneet keskenään. Lomittuneessa tilassa kappaleet ikään kuin pysyvät yhtenä kappaleena, vaikka ne erotettaisiinkin.
On tärkeä ymmärtää, että lomittuminen ei ole vuorovaikutusta siinä mielessä kuin esimerkiksi gravitaatiovuorovaikutus. Lomittuminen tulee esille siten, että systeemien ominaisuudet voivat olla korreloituneet vahvemmin kuin arkipäivän tilanteessa olisi mahdollista. Tämä on juuri se piirre, jota Antti ja Bertta käyttivät hyväksi tempussaan.
Kvanttilomittumisellakin on kuitenkin rajansa, eikä korrelaatio ole niin vahva kuin matemaattisesti olisi mahdollista. Se toisaalta tekee kvanttilomittumisesta niin kiinnostavan ilmiön.
Kvanttiteknologian kannalta lomittumisen käyttö ei ole suoraviivaista eikä se ole kaiken mahdollistava poppakonsti. On kuitenkin opittu hyödyntämään kvanttilomittumista tiedonsiirrossa ja laskennassa tavalla, joka ilman kvanttifysiikkaa ei onnistu. Tulevaisuudessa sen sovelluskohteita löydetään varmasti lisää. Vaikka kvanttilomittuminen vaikuttaa hyvin merkilliseltä, on se tänä päivänä keskeinen osa kvanttiteknologiaa.
Tosielämä on välillä taikuutta oudompaa.
Kvanttilaskennan professori Teiko Heinosaari työskentelee Jyväskylän yliopiston informaatioteknologian tiedekunnassa.
