Ģ��ֱ��

Kvanttiteknologia on yleisnimitys sellaiselle uudelle teknologialle, jossa kvanttiominaisuuksia on pystytty valjastamaan teknologisiin sovelluksiin. Kvanttianturit ja kvanttisatunnaislukugeneraattorit ovat jo kaupallisia tuotteita, kun taas vaikkapa kvanttitietokoneet ovat vielä ole sellaisessa kehitysvaiheessa, että niiden todellisia näyttöjä vasta odotellaan. 

Yksi kvanttiteknologioilla keskeinen ilmiö on kvanttitilojen superpositio. Siihen liittyy - valitettavasti – tarpeetonta mystiikkaa. Kerran minulta kysyttiin yleisintä kvanttifysiikkaan liittyvää väärinymmärrystä. Kerroin, että mielestäni se on ’kappale on useassa paikassa samaan aikaan’ tai siihen läheisesti liittyvä ’superpositiossa systeemi on yhtä aikaa monessa tilassa’. Moni henkilö on minulta sen jälkeen kysynyt, että mitä oikein tarkoitin. Eikös juuri sillä tavalla YouTube -videoissa superpositio selitetä? 

Kokeilen kertoa asiasta havainnollistavan tarinan keinoin.

Superpositiotila on kuin Singapore napojen välissä

Antti ja Bertta ovat kaksi kaverusta, jotka tykkäävät matkailla. Antti tietää vain kaksi mahdollista kohdetta: pohjoisnavan ja etelänavan. Antin lempipuuhaa on tuijotella tähtitaivaalle ja siihen napa-alueet soveltuvat hyvin. Pohjoisnavalla hän ihailee erityisesti Otavaa. Otavaa ei voi nähdä etelänavalta lainkaan ja sen löytäminen taivaalta on Antille merkki siitä, että nyt ollaan pohjoisnavalla. Etelänavalle Antti taas menee ihastelemaan Etelän Ristiä, jota puolestaan ei voi nähdä pohjoisnavalta. 

Antti ei ainoastaan ole viehättynyt näistä kahdesta kohteesta, vaan hän ei ole edes tietoinen, että jonnekin muualle voisi mennä. Bertta on Anttia avarakatseisempi ja päättää matkustaa päiväntasaajan tuntumaan, Singaporeen. Tiettynä yönä Bertta näkee Otavan ja Etelän Ristin samanaikaisesti yötaivaalla. 

Bertta soittaa Antille ja kertoo ihastelevansa näitä kahta tähtikuviota samalla kertaa rantatuolissaan loikoillen. Antti pitää tätä mahdottomana – silloinhan Bertan pitäisi olla pohjoisnavalla ja etelänavalla yhtä aikaa! 

Bertan väite ei sovi yhteen sen kanssa, mitä Antti tietää tähtien asemasta ja Maan liikkeestä.

Tarina kuvaa kvanttifysikaalisen systeemin ja arkipäivän systeemin eroa seuraavasti:

Informaation maailmassa bitillä on tarkalleen kaksi tilaa, 0 (pohjoisnapa) ja 1 (etelänapa). Kvanttifysikaalisella bitillä, eli kubitilla, on näiden tilojen lisäksi kaikki niiden superpositiot. Nämä superpositiotilat vertautuvat siihen, että maapallolla on paljon muitakin paikkoja kuin vain kaksi napaa. Kuten ei Singapore ole pohjoisnapa ja etelänapa samaan aikaan, ei superpositiotilakaan ole 0 ja 1 samaan aikaan. Superpositiotilat ovat uudenlaisia tiloja, joita ei bittimaailmassa kohtaa. 

Superpositiotilat kylläkin ovat tietyssä mielessä bittitilojen 0 ja 1 välissä. 

Tämä ’välissä oleminen’ ilmenee siten, että tiloista mittauksien kautta tehdyt havainnot ovat jotakin niiden havaintojen välistä, joita saisimme samanlaisissa mittauksissa tehtynä tiloille 0 ja 1 erikseen.

Tässäkin mielessä asia vastaa sitä, että Singaporessa tehdyissä havainnoissa (Otava ja Etelän Risti taivaalla) on tiettyä yhtäläisyyttä sekä pohjoisnavalla että etelänavalla tehtyjen havaintojen kanssa, mutta myös jotakin eroa (tähtikuviot ovat eri paikoissa taivaalla).

Superpositiotila ei ole millään lailla häilyvä tila, kuten ei Bertan loikoilu Singaporessakaan ole. Jokainen superpositiotila on aivan yhtä pätevä tila kuin 0 ja 1. Itse asiassa nämä kaksi jälkimmäistä tilaa eivät ole kubitin kannalta missään erityisasemassa. Voisi valita mitkä hyvänsä kaksi tilaa ja esittää kaikki muut niiden superpositiotiloina. 

Sanotaan vielä niin selvästi että takariviinkin kuuluu: kvanttisysteemi on vain yhdessä tilassa kerrallaan!

Kvanttimekaniikka ei ota kantaa hiukkasen paikkaan

Superposition mieltäminen tilojen yhtäaikaisuudeksi on läheisesti kytköksissä siihen harhaluuloon, että kvanttihiukkanen voi ennen mittausta olla samanaikaisesti kaikkialla. Tosin ongelmallista olisi myös väittää, että hiukkanen on koko ajan yhdessä paikassa, mittaamme sitä tai emme.

Jos jotain täytyy asiasta sanoa, niin lähimpänä oikeaa olisi se, että hiukkasella ei ole paikkaa ennen mittausta. Vielä parempi on olla sanomatta tätäkään. Kvanttimekaniikka ei nimittäin ota asiaan kantaa. Kvanttimekaniikka kertoo sen, mikä tietyn mittaustuloksen todennäköisyys on kun mittaus suoritetaan. 

Jos määritämme mittauksella hiukkasen sijainnin, löydämme sen tarkalleen yhdestä paikasta.

’No niin’, saatat ajatella, ’nyt on tästäkin aiheesta viety pois kaikki mielenkiinto saivartelemalla sanojen merkityksistä. Se samanaikaisesti kaikkialla oleminen oli kvanttimekaniikan siistein juttu.’

Saattaahan se niin olla, että kolumnia kirjoittaessa putosin kvanttikielipoliisin rooliin. Mielestäni hiukkasen oleminen kaikkialla yhtäaikaa on kuitenkin niin mystinen väite, että sen varaan on vaikea rakentaa ymmärrystä kvanttiteoriasta. Kannattaa enemmin olla kuin tarinan Bertta, ja avartaa näkemystään. Se onnistuu kvanttifysiikka opiskelemalla.