Turun yliopiston tutkijat ovat tarkastelleet muistin roolia kvanttimekaniikassa selvittääkseen, kuinka menneisyys vaikuttaa kvanttihiukkasen käyttäytymiseen. Kvanttimekaniikka on fysiikan teoria, joka kuvaa aineen ja valon pienimpien osasten, atomien ja fotonien, käyttäytymistä.

Atomitasolla fysiikan lainalaisuudet poikkeavat radikaalisti niistä säännöistä, jotka määräävät arkielämän fysiikkaa. Kvanttihiukkaset voivat olla monessa paikassa samanaikaisesti ja esimerkiksi kulkea seinien läpi. Tämän seurauksena ei ole ilmeistä, miten muistin vaikutus tulisi ymmärtää kvanttisysteemin aikakehityksessä.

– Tulosten avulla pystymme määrittelemään, mittaamaan ja tulkitsemaan, miten ja kuinka paljon menneet tapahtumat vaikuttavat kvanttihiukkasen käyttäytymiseen nykyhetkellä, yliopistotutkija Jyrki Piilo kertoo.

Tutkijoiden tekemät havainnot mahdollistavat kvanttihiukkasen hauraiden ominaisuuksien suojaamisen ja hiukkasten aikaisemmin menettämien ominaisuuksien palauttamisen.

– Tuloksia voidaan soveltaa esimerkiksi kvantti-informaation alalla, jossa kvanttihiukkasia käytetään tehokkaaseen laskentaan ja informaation siirtoon. Toisaalta tulokset avaavat myös mahdollisuuksia kvanttisimulaattoreiden ominaisuuksien tutkimiseen, Piilo sanoo.

Kvanttihiukkasta voidaan suojata ympäristön häiriöiltä

Pienet kvanttihiukkaset ja niiden ominaisuudet, kuten lomittuminen, ovat erittäin alttiita ympäristön kohinalle. Tutkimustulokset auttavat ymmärtämään, miten kohina vaikuttaa kvanttihiukkaseen ja miten se voidaan suojata ympäristön aiheuttamilta häiriöiltä.

– Näissä kummassakin on oleellista ymmärtää, miten menneisyyden muistivaikutukset muokkaavat kvanttihiukkasen tilaa. Tulokset ovat tärkeitä kvanttifysiikan teorian kannalta, koska nyt ymmärrämme, miten eri tavoin muistivaikutukset muuttavat kvanttihiukkasen käyttäytymistä. Samalla tulokset ovat tehneet mahdolliseksi suunnitella ja tehdä kokeita esimerkiksi fotoneilla, joissa on testattu muistivaikutusten esiintymistä, kontrollointia ja manipulointia, Piilo toteaa.

Karkeasti jaoteltuna muistin vaikutus kvanttihiukkasen aikakehitykseen voidaan ymmärtää kahdella tavalla, jotka täydentävät toisiaan. Ensimmäisessä kuvauksessa avoimesta kvanttisysteemistä virtaa informaatiota ympäristöön, ja jos tämä informaatio myöhemmin palautuu systeemiin, niin silloin mennyt vaikuttaa siihen, mitä tällä hetkellä tapahtuu. Toisessa kuvauksessa muisti ei vaikuta avoimen kvanttisysteemin käyttäytymiseen, jos aikakehitys voidaan pilkkoa toisistaan riippumattomiin osiin.