Kun kuuntelee teoreettisen fysiikan yliopistonlehtori Esko Keski-Vakkuria, niin maailmankuva muuttuu epävarmemmaksi.
–Teen perustutkimusta ja pohjimmiltaan kyse on luonnonlakien paremmasta ymmärtämisestä. Paljon on avoimia kysymyksiä. Vaikka kvanttimekaniikka ja painovoiman yleinen suhteellisuusteoria löydettiin jo viime vuosisadalla, niin näitä kahta ei ole onnistuttu yhdistämään, sanoo Esko Keski-Vakkuri.
Esko Keski-Vakkuri tutkii painovoiman kvanttiteoriaa, joka on yksi fysiikan avoimista kysymyksistä. Tavalliseen arkielämään se ei vaikuta, ellet halua tietää mitä tapahtuu, kun astut mustaan aukkoon. Tästä on vaihtoehtoisia teorioita. Kun astut mustan aukon reunan yli, et joko huomaa yhtään mitään tai päädyt tulimereen. Siitä ollaan yksimielisiä, että sieltä ei pääse pois.
Mustien aukkojen ohella painovoiman kvanttiteoriaa kaivataan myös, kun mietitään, kuinka maailmankaikkeus alkoi. Jos seurataan alkuräjähdyksestä aina vaan taaksepäin, niin päädytään tulokseen, että alussa etäisyydet ovat nolla, jolloin painovoima on erittäin vahva ja kvantti-ilmiöt ottavat vallan.
Fysiikassa avoimiin kysymyksiin etsitään ratkaisua ns. lelumalleilla. Yksi lelumalli on Helsingin yliopiston matematiikan professori Antti Kupiaisen ja kumppaneiden tutkima matemaattinen malli, jossa painovoimateorian ja kvanttimekaniikan yhtenäisteoriaa onnistuttiin ratkaisemaan matemaattisen täsmällisesti. Oletuksena kuitenkin oli, että aika-avaruuden dimensio on kaksi eikä neljä, kuten todellisuudessa. Tämä oli merkittävä edistysaskel ja he saivat vuonna 2022 arvostetun George Pòlya Prize in Mathematics -palkinnon.
Entä jos maailmankaikkeutta pitää kasassa lomittuminen?
Vuoden 2022 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin lomittumisen tutkijoille. Alain Aspect, John Clauser ja Anton Zeilinger pystyivät kokeellisesti testaamaan teoriaa, jota Einstein kutsui kummitusmaiseksi kaukovaikutukseksi eli ”spooky action of distance”. Kvanttimekaaninen lomittuminen on helpommin ymmärrettävissä, jos lähdetään liikkeelle yksinkertaisesta esimerkistä.
–Meillä on kaksi lomittunutta hiukkasta ja tehdään mittaus, joka voi antaa tulokseksi 0 tai 1. Emme tiedä kummankaan mittaustulosta mutta hiukkasten lomittumisesta seuraa se, että jos mitataan toinen hiukkanen ja tulos on nolla, niin tiedetään täysin varmasti, mikä tulos toisesta hiukkasesta tulee olemaan, vaikka se toinen hiukkanen olisi kuussa, kuvailee Keski-Vakkuri.
Todellisissa kappaleissa on miljardeja hiukkasia, eikä tiedetä miten monilla eri tavoilla ne voivat lomittua. Avaruuden pisteitä on vielä enemmän, jolloin lomittuminen voi olla ääretön, mutta se ei ole tyydyttävä vastaus.
Keski-Vakkuri kertoo, että lomittumisesta on viitisentoista vuotta sitten esitetty hypoteesi (Mark van Raamsdonk on eräs tämän idean kehittäjistä), että painovoimateoria on vain seuraus lomittumisesta. Lomittuminen onkin liima, joka yhdistää avaruusajan ja painovoima on kuvaus jollekin toiselle vielä perustavammalle asialle.
Tässä tullaan siihen, että laskutoimitukset muuttuvat monimutkaisiksi. Laskentatehoon odotetaan harppausta kvanttitietokoneista.
Graduntekijä kehitti uuden kvanttimittausalgoritmin
Kvanttitietokone pohjautuu kvanttimekaniikkaan, joka on fysiikan teoria. Monet teoreettiset fyysikot ovat päätyneet miettimään kvanttitietokoneita, koska ovat alun perin tutkineet mustien aukkojen informaatio-ongelmaa. Kvanttitietokoneen kehittämisessä tarvitaan koodareita ja insinöörejä, mutta myös matemaatikkoja ja fyysikkoja.
Kvanttitietokone tuottaa oikean vastauksen tietyllä todennäköisyydellä. Vastaus luetaan mittaamalla lopputila. Laskentaprosessia ja mittauksia toistetaan useita kierroksia, kunnes oikea vastaus voidaan tunnistaa riittävällä varmuudella. Prosessin tärkeä osa on virheenkorjaus, jotta laskentaa voidaan suorittaa luotettavasti tarpeeksi pitkä aika.
–Kvanttilaskennan virheenkorjaus on se, missä teoreettiset fyysikot ovat tehneet paljon arvokasta työtä, sanoo Keski-Vakkuri, joka opettaa kvanttifysiikkaa Helsingin yliopistossa.
Teoreettisten ja laskennallisten menetelmien maisteriohjelman kurssilla käydään mm. läpi kvanttitietokoneiden toimintaa ja niiden kehittämiseen liittyviä haasteita.
Kurssilla opiskeli Otto Veltheim, joka jatkoi tekemään gradun aiheenaan kvanttitilan mittausalgoritmit. Tarkoitus oli tutustua tarjolla oleviin algoritmeihin, mutta Veltheim kehitti uuden ja jatkaa sen testaamista väitöstyössään Helsingin yliopiston fysiikan osastolla. Voit lukea gradun verkossa: Otto Veltheim: Quantum State Tomography with Observable Commutation Graphs.
Esko Keski-Vakkuri toimii myös InstituteQ:ssa, joka on VTT:n ja Aalto-yliopiston kanssa yhteistyössä vuonna 2021 perustettu verkosto, tällä hetkellä yliopistojen, VTT:n ja Suomen Akatemian rahoittamana, joka edistää kvanttiteknologian tutkimusta, koulutusta ja kaupallista soveltamista Suomessa.