Lomittuminen

Lomittuminen on kvanttimekaniikassa kahden tai useamman kvanttisysteemin (esimerkiksi hiukkasen tai hiukkasjoukon) ominaisuus, jolle ei ole analogiaa klassisessa mekaniikassa. Lomittuneessa tilassa osasysteemeillä on ”ei-klassisia” korrelaatioita, minkä vuoksi mitattaessa yhden osasysteemin ennalta määräämätön ominaisuus tullaan samalla määrittäneeksi toisen osasysteemin vastaava ominaisuus.

Kahden hiukkasen lomittuminen 

Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi esimerkkinä kaksi hiukkasta (tai kollektiivisesti käyttäytyvää hiukkasjoukkoa). Tätä hiukkasparia kuvataan aaltofunktiolla (tilavektorilla), joka on muotoa

,

missä  kuvaa ”ensimmäisen” hiukkasen tilaa ja  ”toisen” hiukkasen tilaa. Oletetaan, myös yksinkertaisuuden vuoksi, että hiukkasilla on tasan kaksi vapausastetta,  ja . Toisin sanoen, . Tällainen voisi olla esimerkiksi spin-1/2-hiukkanen, jonka kineettinen energia voidaan jostain syystä jättää huomiotta. Toinen (itse asiassa analoginen) vaihtoehto on kubitti.

Erilliset hiukkaset 
Kahden toisistaan riippumattoman hiukkasen yleinen kokonaisaaltofunktio voidaan kirjoittaa:

,

mikä kuvaa vektoria neliulotteisessa tila-avaruudessa.

Lomittuneet hiukkaset 
Jos hiukkaset sen sijaan muodostavat yhdessä kvanttimekaanisen parin, niin aaltofunktio on oltava muotoa:

.

Kaikkia neliulotteisen tila-avaruuden vektoreita ei kuitenkaan voida esittää tässä tulomuodossa koska kaksiulotteisen tila-avaruuden vektorien tensoritulona saatavat vektorit muodostavat neliulotteisen tila-avaruuden aliavaruuden. Esimerkiksi tilaa

ei voi esittää kahden erillisen hiukkasen aaltofunktioiden tulona. Tällaisen hiukkasparin sanotaan olevan lomittuneessa tilassa. Sama pätee myös tilalle:

Oleellista siis on, että kokonaistilaa ei voi esittää yhtenä yksittäisten hiukkasten tilojen tensoritulona.

Seurauksia 

Oletetaan, että hiukkaspari on yllä mainitussa kokonaistilassa . Tällöin ensimmäisen hiukkasen mittaus antaa tuloksen ”” todennäköisyydellä  ja tuloksen ”” todennäköisyydellä . Tämä vastaa siis yleisen kvanttisuperpositiotilan ominaisuuksia. Lomittumisen idea selviää tarkastelemalla toisen hiukkasen mittausta – sen tulos nimittäin määräytyy täysin ensimmäisen hiukkasen mittaustuloksesta. Jos ensimmäinen mittaus antoi ””, myös toisen mittauksen on annettava ””. Vastaavasti tulosten on oltava samat tapauksessa, jossa mittaustulos on ””. Yhden hiukkasen mittauksessa saatu − kvanttimekaniikan mukaisesti satunnainen − tulos siis määrää täysin sen mitä toisen hiukkasen mittauksesta saadaan – riippumatta hiukkasten välisestä etäisyydestä. Mittaushetkellä ensimmäinen hiukkanen voi olla vaikkapa Espoon Otaniemessä ja toinen Tampereen Hervannassa. Toisin kuin aluksi ajateltiin, tämä ei kuitenkaan ole ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa, sillä mitään informaatiota ei mittauksista välity.

Kvanttilomittumista voidaan tutkia mittaamalla toteutuvatko Bellin epäyhtälöt. Saatujen tulosten avulla voidaan osoittaa, että kvanttilomittuminen rikkoo paikallisen reaalisuuden.

Lomittuneen tilan luominen 

Lomittunut tila voidaan luoda esimerkiksi tietyissä hajoamisprosesseissa, joissa samassa koherentissa prosessissa muodostuu kaksi tai useampi hiukkasta.

Käyttö 

Kvanttilomittumista käytetään kvanttilaskennassa sekä jonkin verran myös kvanttisalauksessa.

Ajan mysteeri 

1960-luvulla kehitetty Wheeler–DeWitt-yhtälö, joka yhdistää suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan – ns. kvantittaa suhteellisuusteorian – jättää yhtälöstä kaiken kaikkiaan ajan pois. Tämän johdosta yhtälö oli pitkään piikki tiedemiesten lihassa, kunnes vuonna 1983 Don Page ja William Wootters ehdottivat, että lomittuminen saattaisi tuottaa ratkaisuun ajan ongelmaan. Tämä on eksoottinen ominaisuus, jossa kaksi kvanttihiukkasta jakavat saman olemassaolon, vaikka ne ovat fyysisesti erotettuja. Lomittuminen on syvällinen ja voimakas linkki ja Page sekä Wootters osoittivat, miten sitä voidaan käyttää ajan mittaamiseen. 

Pagen ja Woottersin päätelmien mukaan aika on emergentti ilmiö, joka johtuu lomittumisen luonteesta ja esiintyy vain universumin sisällä oleville tarkkailijoille. Jokainen jumalankaltainen tarkkailija universumin ulkopuolella näkee puolestaan staattisen, muuttumattoman maailmankaikkeuden juuri kuten Wheeler–DeWitt-yhtälö ennustaa.

Vuonna 2013 ryhmä tutkijoita Torinosta, Italiasta, teki ensimmäisen testin Pagen ja Woottersin idealle vahvistaen sen, että aika on todellakin emergentti ilmiö "sisäisille" tarkkailijoille, mutta poissaoleva maailmankaikkeuden ulkoisille tarkkailijoille.

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Quantum Entanglement: Spooky Action at a Distance, Youtube video

Kvanttimekaniikka