Kvantit tulevat — oletko valmis?

Erään määritelmän mukaan uutinen on jotakin uutta, jolla on merkitystä ihmisten elämään ja yhteiskuntaan. Miksi kvantti ylittää uutiskynnyksen yhä useammin? Mikä vaikutus kvanteilla on ihmisten elämään? Professori Pekka Koskinen pohtii tätä blogissa. Avoimen uutuuskurssi esittelee kvantin kaikille sopivalla tavalla. Se on maksutta opiskeltavissa verkon välityksellä.

Sana kvantti tarkoittaa pakettia, joka liittyy johonkin fysiikan suureeseen kuten energiaan, valoon tai lämpöön. Esimerkiksi valoon liittyvää kvanttia kutsutaan fotoniksi, ja sillä on tietty energia, joka riippuu väristä. Valossa fotoneita vain vilistää niin paljon, että sen kvantittuneisuutta ei silmin havaita. Kvanttien käyttäytymistä kuvaa yli verrattain uusi, joskin jo satavuotias kvanttimekaniikan teoria, jonka kehittäjiin kuuluu myös Albert Einstein.

Kvanttimekaniikan säännöt ovat outoja. Kvantit voivat esimerkiksi olla kahdessa eri paikassa samanaikaisesti, tai eri paikoissa olevat kaksi kvanttia voivat olla mystisesti kytkeytyneet yhteen. Outojen sääntöjen ymmärrys on kuitenkin ollut edellytys transistoreiden, lasereiden, näyttöjen, muistien, aurinkokennojen ja magneettikuvantamislaitteiden kehitykselle.

Mahdollisuuksien kvantti otsikoissa

Kvanttimekaniikan teoriaa on siis hyödynnetty, mutta suurelle yleisölle se on näyttäytynyt etäisenä ja mystisenä. Markkinoijat ovat hyödyntäneet mystisyyttä puhtaasti myyntitarkoituksessa — myös harhaanjohtavasti. Kvanttimekaniikkaa on pidetty vieraana teoriana, jolla on merkitystä lähinnä fyysikoille. Tilanne on kuitenkin muuttumassa.

Sana kvantti ylittää uutiskynnyksen yhä useammin. Mutta mitä uutta merkitystä kvanteilla on yhteiskunnalle? Miksi ne päätyvät otsikoihin, vaikka ne on tunnettu jo yli sata vuotta?

Syy löytyy teknisestä kehityksestä. Koska kvantit ovat pieniä ja häilyviä, meidän tuli odottaa vuosikymmeniä, kunnes tekniset menetelmät kehittyivät riittävästi kvanttien tietoiseen hallintaan. Hallinta avaa uusia teknologisia mahdollisuuksia, juuri kvanttimekaniikan sääntöjen outouden ja erilaisuuden ansiosta. Esimerkiksi uutisissa usein esiintyvän kvanttitietokoneen toimintaperiaate on käsitteellisesti mullistavan erilainen verrattuna normaaliin tietokoneeseen. Uusi toimintaperiaate nopeuttaa laskemista jopa niin paljon, että aiemmin mahdottomat ongelmat tulevat mahdollisiksi ratkaista. Mullistavuuden ymmärtämiseen tarvitaan kuitenkin kvanttimekaniikan sääntöjen hahmottamista.

Kvanttimekaniikka irrottaa totutusta ajattelusta

Kvanttimekaniikan sääntöjen hallittu hyödyntäminen on taustatekijä, joka mahdollistaa huimia teknologisia loikkia. On kuin olisimme vuosikausia leikkineet vanhoilla Duplo®-legoilla, kunnes saamme käsiimme uudet Technic™-legot. Uudet legot mahdollistavat monimutkaisempia rakennelmia, joilla on ennennäkemättömiä toiminnallisuuksia. Tosin meillä ei heti ole luontaista ymmärrystä ja intuitiota uusien legojen mekaniikkaan, minkä vuoksi rakentaminen on alussa haastavaa. Meidän tulee ensin oppia säännöt uusilla legoilla rakentamiseen.

Sääntöjä ei silti tarvitse mystifioida. Ne ovat kyllä outoja, mutta opittavissa. Oppiminen ei myöskään välttämättä edellytä kiemuraista matematiikkaa. Olennaisimmat kvanttimekaniikan ideat ovat nimittäin käsitteellisiä ja vaativat ennen kaikkea rohkeutta irrottautua tutuista käsityksistämme hiukkasten olotilaan ja käyttäytymiseen liittyen. Esimerkiksi, riittääkö sinulla rohkeutta luopua ajatuksesta, että hiukkasen olisi nyt oltava ”jossakin paikassa”? Tai luopua ajatuksesta, että hetkeä ”nyt” ei välttämättä olisikaan? Modernissa fysiikassa nämä filosofiset pohdinnat saavat hyvin konkreettisia merkityksiä, joilla on suora yhteys moderniin teknologiaan.

Modernia fysiikkaa yleissivistävästi

Pidämme Jyväskylän yliopistolla tärkeänä näiden aiheiden ymmärtämistä täällä korkean teknologian Suomessa. Pysymme modernin teknologian kehittäjinä, mikäli ymmärrämme uusia sääntöjä ainakin siinä määrin, että hahmotamme niiden teknologisen potentiaalin.

Siksi olemme laatineet kurssin Kvanttimekaniikkaa ja suhteellisuusteoriaa yleissivistävästi esittelemään modernin fysiikan ihmeellisyyksiä kansantajuisella otteella. Kurssilla esitellään lisäksi suhteellisuusteoriaa, joka on kvanttimekaniikan aisapari, toinen fysiikan perusteoria monen nykyteknologisen sovelluksen, kuten GPS:n taustalla. Kurssi siis tarjoaa modernin teknologian pohjalla oleviin teorioihin liittyvää yleissivistystä — ja auttaa valmistautumaan kvanttien tuloon. 

Pekka Koskinen
professori, Jyväskylän yliopisto