Põimumine

Kvantpõimumine, põimumine ehk põimolek (inglise keeles quantum entanglement) on kvantfüüsikaline nähtus, mille korral ei ole võimalik süsteemi moodustavatel osakestel määrata üksikut kvantolekut, vaatamata, et osakesed ei viibi samas ruumis ja võivad olla väga suurtel kaugustel. Liitsüsteemi osad ehk komponendid on põimunud, kui liitsüsteemi olekufunktsioon pole avaldatav komponentide lainefunktsioonide korrutisena, vaid niisuguste korrutiste superpositsioonina. Selle tulemusel võib esineda põimunud osakeste füüsikaliste omaduste nagu asukoha, spinni, polarisatsiooni ja impulsi täielik korrelatsioon. Kvantpõimitus on üks peamisi nähtusi, mis eristab kvantfüüsikat ja klassikalist füüsikat, sest see on kvantmehaanikas esinev nähtus, millele ei eksisteeriv klassikalises füüsikas midagi võrreldavat.  

Põimumist on tõestatud footonite, neutronite, elektronide ja ka suuremate molekulidega ning isegi teemantidega. Selle kasutusalad on laialdased näiteks kosmosetehnoloogias ja sideühenduses, kodeerimises, andmeedastuses, bioloogias ja mikroskoopias. Kvantfüüsika ja põimumine on tänapäeval väga kiirelt kasvav teadusharu, kuna võimaldab leida vastuseid probleemidele, mida klassikalise füüsikaga lahendad ei osata.

Anton Zeilingeri korraldatud katses mõjutas ühes punktis tehtud otsustus silmapilkselt 144 kilomeetri kaugusel asuvat punkti, mis oli seotud põimumisega.

Eestikeelse termini "põimitus" pakkus välja Jaak Lõhmus.

Ajalugu

20. sajand 
Esimese kvantpõimumist kajastava teooria pakkus välja Einstein 25. märtsil 1935 Ameerika Füüsikaseltsi artiklis, mis valmis Boris Podolsky ja Nathan Roseni koostöös, kus nad väitsid, et teoorias oli igale reaalselt eksisteerival objektil olemas vastav objekt ja füüsikalise suuruse eksisteerimiseks peab selle ennustamine olema võimalik süsteemi häirimata. Kvantmehaanikas see ei kehtinud, sest kahe mittependeldava operaatorit kirjeldavate füüsikaliste suuruste puhul välistas ühe teadmine teise kohta teave omamise. Sellest järeldasid Einstein, Podolsky ja Rosen, et kvantmehaanikas ei ole lainefunktsiooniga antud reaalsuse toimumise kirjeldus täielik (1) või nendel suurustel ei eksisteeri sama reaalsust (2). Sealt nad oletasid, et tegu oli mõne muu süsteemiga, mis oli varem kokku puutunud ja kui oletus (1) osutus vääraks, siis oli seda ka oletus (2). Selle tulemusena jõudsid nad järeldusele, et reaalsuse kirjeldus lainefunktsiooniga ei ole täielik. 

Seda avastust ei kirjeldatud küll veel põimumisena ja ei toodud ka välja muid erilisi omadusi, mis kvantmaailmas eksisteerisid. Põimituse (inglise keeles entangelment) mõistet pakkus esmakordselt välja Erwin Schrödinger oma kirjas Einsteinile peale originaalse EPR (Einstein, Podolsky, Roseniga) artikli avalikustamist, et kirjeldada korrelatsiooni kahe osakese vahel, mis algselt puutuvad kokku ja siis eralduvad teineteisest, kuid säilitavad omavahel korrelatsiooni.

Seejärel avalikustas Schrödinger ka oma enda artikli põimumise teemal, kus ta tõi välja eraldatud süsteemide vahelise tõenäosusseoste võimalikkuse. Schrödinger väitis, et põimitus on pigem kvantmehaanika omadus, mis eemaldab ennast klassikalise mehaanika mõttemaailmast. Nii Einstein kui ka Schrödinger ei olnud põimituse konspektiga täielikult nõus, sest nende vaatepildist rikkus see valguse kiiruse piiri, mida relatiivsusteooria kirjeldas. Esinstein ütles põimituse kohta, et see on ”spooky action at a distance” ehk “hirmas sündmused kaugel”. Esinstein ei nõustunud ka Bohri ja Heisenberg loodud kvantmehaanika seletusega (Kopenhaageni seletus), mis oletas, et kvantfüüsikas rakendatakse tõenäosuslikust, millest tuli tema ütlus “jumal ei mängi täringut”. Einstein väitis ka, et Bohri ja Heisenberg kvantmehaanika kirjeldus ei olnud täielik. Aastal 1935 ilmunud Albert Einsteini, Boriss Podolsky ja Nathan Roseni artiklit ja Erwin Schrödingeri lisatud informatsiooni hakati hiljem kutsuma EPR paradoksiks.

Järgmine suur samm kvantpõimumise teooria uuringus oli aastal 1964, millal John Stewart Bell tõestas, et lokaalsuse põhimõtte, mida algne EPR artikkel (1935) kajastas, oli matemaatiliselt vastuoluline kvantfüüsika teooriast tulenevate oletustega oma ebavõrdsusteoorias (Belli teoreem). Belli teoreemi ei suudetud tõestada kuni aastani 2015, aga enne seda tehti erinevaid eksperimente, mis teadmisi selles valdkonnas arendasid. Tuntumad neist olid Stuart Freedmani ja John Clauseri tehtud eksperimendid aastal 1972 ning Alain Aspecti, Philippe Grangieri ja Gérard Rogeri eksperimendid aastal 1982. Belli teooria aitas 1984. aastal avastada kvantvõtmekehtestuse (QKD), millest tuntuimad olid Charles H. Bennetti ja Gilles Brassardi poolt avastatud BB84 ja Artur Ekerti E91.

21. sajand 
Aastal 2015 tegi kolm uurimisrühma Belli teoreemi põhjal sisulisi teste, mille tulemuseks said kõik kinnitus teoreemi põhiideele. Ühte neist uuringutest juhtis Colorado osariigis Boulderis asuva Riikliku Standardi- ja Tehnoloogiainstituudi (National Institute of Standards and Technology, lühidalt NIST) füüsik Krister Shalm. Katse käigus kasutati spetsiaalseid metallribasid, mis jahutati ülimadalatele temperatuuridele. Selle tulemusel muutusid ribad ülijuhtivateks ehk kadus elektritakistus. Siis lasti footoneid vastu metalli, mille tulemusena muutis see metalli sekundi murdosaks tagasi tavaliseks elektrijuhiks. Teadlased said seda protsessi jälgida. See võimaldas uurida, kuidas mõjutasid ühe footoni mõõtmised teist footonit põimunud paaris.

Aastal 2018 väitsid teadlased, et saavutasid kvantpõimumise elusorganismis, milleks kasutati bakterite fotosünteesilisi molekule ja kvantiseeritud valgust.

Aastal 2019 avaldas Glasgow' Ülikool esmakordselt pildid kvantpõimitusest, milleks kasutati lasereid ja kristalle.

Aastal 2021 väitis rahvusvaheline grupp teadlasi, et tekitasid loimuris ajutiselt kvantpõimumist. Selles katse juures oli palju skepsist, aga selle läbi viinud teadlased väitsid, et see oli esimest korda ajaloos, kus kvantpõimitust rakendati elusale loomale.

Aastal 2022 andis NASA teada, et saadab kvantpõimumise eksperimendi kosmosesse. Eksperiment nimega “Space Entanglement and Annealing Quantum Experiment” SEAQUE katsetab kahe kvantarvuti töövõimekust kosmose ekstreemsetes tingimustes.

Teooriad ja põhimõte

Põhimõte 
Kvantpõimunud süsteemid on sellised süsteemid, mille olekufunktsioon pole avaldatav komponentide lainefunktsioonide korrutisena vaid niisuguste korrutiste superpositsioonina. Liitsüsteemi olek on alati väljendatav kohalike osakeste korrutiste summana või nende superpositsioonina seega kvantolek paari või rühma kõiki osakesi ei saa kirjeldada sõltumata teiste osakeste olekust. See kehtib ka juhul, kui osakesed on teineteisest väga kaugel. Põimunud osakesed ja nende füüsikalised omadused nagu impulss, asukoht, spinn ja polarisatsioon on täielikus korrelatsioonis.

EPR paradoks 

Einsteini, Podolsky ja Roseni avastusest tuli välja, et põimumine toimub hetkeliselt ehk kui ollakse teadlikud ühest kvantolekust, siis on teada ka kõigi põimunud osakeste kvantolekud. Selle tulemusena ei ole oluline kaugus, kuna nähtused säiliksid ükskõik kui suurtel kaugustel. Selle tulemusena oleks informatsiooni leviku kiirus suurem valguskiirusest, mida loetakse klassikalises füüsikas siiani kõige suuremaks võimalikuks kiiruseks ja oleks vastuolus relatiivsusteooriaga.

Ameerika Füüsikaselts nimetas selle nähtuse EPR paradoksiks (Einsteini, Podolsky ja Roseni paradoks). Sealt tulenes Einstein tuntud ütlus “hirmas sündmused kaugel”, millega ta väitis, et Kopenhaageni kvantteooria oli puudulik. Sellele vaatamata on kinnitatud korduvalt, et põimunud osakesed mõjutavad teineteist olenemata kaugusest. 

Siiski pole paradoksile ühtset kindlat lahendust leitud. Takerdunud süsteemid ei säilita lokaalsust (põimunud süsteemi üks osa saab kohe mõjutada kaugel asuvat osakest), aga need säilitavad põhjuslikku seose, mis tähendab, et igal muudatusel on tagajärg. Näiteks, kui on kaks vaatlejat, kes on teineteisest kaugel, siis üks vaatlejatest ei oska öelda, kas teine vaatleja on süsteemis muudatuse teinud ja sama kehtib ka vastupidi. Sellise informatsiooni saamiseks peab toimuma andmevahetus siiski valguskiirusel, luues paradoksi, sest mõlematel osapooltel pole võimalik tõestada valgusest kiirema informatsiooni levikut. Seega isegi kui on teada kaugel asuva osakese olek, siis selle muutuse kinnitamine on piiratud valguse leviku kiirusega.

Varjatud muutujate teooria 
Üks paradoksi võimalikest lahendustest, mis usub, et kvantteooria on puudulik ja mõõtmiste tulemust mõjutavad ettemääratud varjatud muutujad. Mõõdetavatel osakestel on peidetud muutujad, mille väärtused teevad juba eraladumise hetkest kindlaks, milline saab olema osakese spinn mõõtmisel. Selle põhjal oletatakse, et see informatsioon on osakesega algusest peale kaasas ja mõõtmiste ajal ei kandu see ühelt osakeselt teisele. Selle teooria üks pooldajatest oli Einstein ise, kes uskus, et see on paradoksi ainuke loogiline lahendus ja üldiselt levinud kvantmehaanika kirjeldus oli puudulik.

Daniel Greenbergeri, Michael Horne'i ja Anton Zeilingeri teooria (GHZ) 
Aastal 1989 avastasid Daniel Greenberger, Michael Horne ja Anton Zeilinger kvantinformatsiooni valdkonnas uue teooria, mille nimeks sai lühidalt GHZ olek. See on kvantolek, mis hõlmab vähemalt kolme alamsüsteemi, mis on kvantbittides ja on erilises põimunud olekus ehk GHZ olekus. Selle jaoks jagatakse kolme kvantbiti süsteem kolme katsetaja vahel. Kõik neist valivad iseseisvalt ja suvaliselt, kas mõõta kuju või värvi ja salvestab andmed. Kuju ja värvi korral on ka kaks valikut, mis suvaliselt tehakse. Katset korratakse alati nii, et kolm kvantbitti on GHZ olekus. Kõikide eksperimentide korral leitakse eraldi nende suvaliste tulemuste seast kõige rohkem esinenud variandid. Eksperimendis on alati võimalik valida kahe kuju või värvi vahel, mille valimise tõenäosus on alati sama. 

Järgmisena võrreldakse kolme katsetaja eksperimendi tulemusi. Üks kujund on tähisega A, teine aga B, värvidel juures on tähistus samasugune. Eksperimendiga leiti, et kui kaks katsetajat valis kujundi ja üks värvi, siis täpselt 0 või 2 tulemust olid tähisega B, aga kui kõik kolm valisid värvi, siis täpselt 1 või 3 tulemust olid valikuga B. See on see, mida kvantmehaanika oletab ja mida vaadeldakse.

Põimumise teke 
Põimumine võib tekkida erinevatel põhjustel, aga see katkeb, kui osakeste vahel kaob koherents kokkupuutel keskkonnaga. See võib näiteks mõõtmisel juhtuda. 

Üks meetod põimumise saavutamiseks on viia osakesed väga madalale temperatuurile ja viia need üksteisele piisavalt lähedale, et kvantolekud kattuksid, mis esineb asukoha määramatusest. Selle tulemusena ei saa osakesi üksteisest eristada. 

Teine võimalus on rakendada elementaarosakeste protsessidele näiteks tuumade lagunemisele, mille tulemuseks on juba põimunud osakesed. NASA sõnul on võimalik luua põimunud footonite paare või valguse osakesi, kui jagada üks footon kaheks, mille käigus tekib footonpaar või segades footonpaare kiudoptilises kaablis.

Saab kasutada ka suvalisi protsesse, mille käigus võib tekkida põimumine. Kui kaks osakest puutuvad teineteisega kokku sobival viisil võivad nad hiljem põimuda. Molekule saab jagada kaheks, et tekitada põimunud osakesi, aga üks suur miinus sellise lähenemise juures on see, et seda protsessi ei saa kontrollida. Selle tulemusel liiguvad osakesed suvalistes suundades, aga eksperimentide teostamisel raskendab see olukorda, sest soovitakse teada, kuhu täpselt aatomid liiguvad.

Kasutusalad

Kosmosetehnoloogia 
Kantpõimitust kasutab NASA oma "ülijuhtivate nanojuhtme ühe footoni detektorites" (SNSPD), mida saab kasutada krüptograafias ja süvakosmose kommunikatsioonis. Selle tehnoloogia reaalne kasutus leidis aset projektis "Lunar Atmosphere Dust and Environment Explorer" (LADEE), mis tiirles ümber Kuu 2013. aasta oktoobrist 2014. aasta aprillini. See demonstreeris tehnoloogia sidevõimekust. Kosmosesond, mis tiirles ümber Kuu, rakendas LADEE tehnoloogiat ja maapealne vastuvõtja kasutas SNSPD tehnoloogiat. Seda uurides leidis NASA, et nii on võimalik luua tundlikke laserite massiive, mis võimaldaksid suurendada andmete üles- ja allalaadimist sondidele, mis on väga kaugel.

Kvantkrüptograafia 
Kvantkrüptograafia lubab kvantpõimumise abil luua murdmatuid krüptograafia võtmeid. Sellises olukorras on kaks põimunud süsteemi korrelatsioonis ja kolmas osapool ei saa seda sama korrelatsioonis omada, kuna läheks põimumise põhimõtetega vastastikku. Lisaks on see ka koopiavastane meede, kuna kvantolekus kodeeritud andmeid ei saa kopeerida, muutes kopeerimise võimatuks. Kvantkrüptograafia on juba saavutatud murdmatu kvantvõtmekehtestusi ehk QKD (inglise keeles quantum key distribution).

Mikroskoopia 
Jaapani teadlased Hokkaido Ülikoolis on loonud maailma esimese põimumist kasutava mikroskoobi. Mikroskoop laseb välja kaks footonkiirt ja mõõdab nende peegeldunud kiirte interferentsi. Põimunud footonid suurendavad informatsiooni mahtu, andes tulemusena täpsema ja puhtama pildi. See on tähtis saavutus, mida saab laialdaselt rakendada ka paljudes teistes teadusharudes, eriti nanotehnoloogias.

Kvantteleportatsioon 
Kvantteleportatsioon on kvantinfo, footonite, aatomite, elektronide vaheldamine kahe osapoole vahel. Seda kasutatakse kvantarvutites, et need saaksid töötada paralleelselt ja vähendada nende suuri energiakulusid 100–1000 korda. Kvantteleportatsioon vahendab kvantinfot klassikaliste meetmete kaudu erinevalt kvantkrüptograafiast, mis vahetab klassikalisi andmeid kvantkanalite kaudu. Selle tulemusena lubab kvantteleportatsioon arendada kvantarvutite arengut.

Ülitihe kodeerimine 
See on kahe biti informatsiooni edastamine kasutades ühte põimunud kvantbitti. See lubab saata kaks korda rohkem informatsiooni, muutes andmeedastuse kaks korda kiiremaks ja suurendab kahesuunalise kvantkanali suurust. Kõik see lubab kiiremat kommunikatsiooni osapoolte vahel kui klassikaliste meetmetega oleks võimalik.

Bioloogilised süsteemid 
Usutakse, et osade valgustruktuuride pakkimisel on võimalik, et need arenevad viisil, mis lubavad struktuurides püsivat kvantpõimitust. See on hetkel veel suuresti teoreetiline valdkond, mis vajavad täiendavat katsetamist, kuid selles nähakse suurt potentsiaali meditsiinivaldkonnas. 

Oktoobris aastal 2018, väitsid teadlased, et suudeti elusorganisme kvantpõimuda. Eksperiment toimus bakterite fotosünteesiliste molekulide ja kvantiseeritud valguse vahel. 

Teadlased on uuringutes järeldanud, et elusorganismid, eriti bakterid, on võimelised looma kvantpõimumist tavaolukorras mitteinterakteeruva valguse ja bakterite molekulide vahel. Seal nähti, et bakteri molekulide ja valguse vahel võib esineda tugev põimitus. Lisaks oletati, et vahel võib põimitus isegi esineda bakterites endas.

Teabeedastus 
Ajakirjas Physical Review X avaldas meeskond füüsikuid uuringu, kus kasutati kahe või enam tasemega süsteemide põimumist. See võimaldas jälgida kvantpõimumist rasketes keskkonnaoludes. Katse tõestas, et pikamaa kvantkommunikatsioon reaalsetes oludes on võimalik. Usutakse, et seda meetodit on võimalik tulevikus rakendad kvantinterneti loomisel

Kvantarvutused ja kvantarvutid 
Kvantpõimumisega on võimalik töödelda kvantteavet. David Deutsch (1985) demonstreeris esmakordselt, et kvantpõimumist on võimalik kasutada arvutiprogrammis probleemide lahendamiseks, mis oleks tavaarvuti jaoks võimatu. Seda saab kasutada nii tänapäevaste turvameetmete eiramiseks kui ka varem võimatuna näivate probleemide lahendamiseks. Euroopa üks suuremaid kvantarvutite arendusega tegelevaid ettevõtteid on IQM, kus töötab ka suur arv Eestist pärit teadlasi.

Vaata ka
Kvantteleportatsioon                
Kvantarvutid 
Kvantmehaanika
Kvantfüüsika
Relatiivsusteooria
Albert Einstein
Erwin Schrödinger

Viited 

Kvantmehaanika
Kvantfüüsika