Kvanttifysiikkaa pidetään outona. Ehkä siksi, että se on sellaista. Lähestyn aivan sen yksinkertaisimpia asioita. (Enimmäkseen siksi että muita en osaa...)Kvanttifysiikan syvin ominaisuus on epävarmuus. Yksikseen hiukkaset ovat "todennäköisyysaaltoja". Ei voida sanoa missä paikassa se on. Asiantila muuttuu kun sitä havainnoidaan. Tämä ei tarkoita että tietoisuus tai ihminen muuttaisi epävarmuuden ja antaisi atomille paikan. Sillä toiset siitä kimpoavat hiukkaset riittävät havainnointiin. Kun muut atomit tai muut hiukkaset osuvat siihen, käy niin että hiukkaselle määrittyy sijaintin joka on sopusoinnussa näiden kanssa. Ilmiön nimi on dekoherenssi.
Epävarmuus ei tarkoita että fyysikot olisivat heittäytyneet relativisteiksi, tai myöntäneet että tiedon saaminen on turha vaiva : Tällä aallolla on todennäköisyyksiä. Ja todennäköisyyksillä on ymmärrettäviä ominaisuuksia. Tätä voidaan tutkia. Otan esiin hauskan esimerkin kvantti -informaatiofysiikasta. Sen nimi on kubitti.
Tämän ymmärtämiseksi selitän aluksi, mitä tavallinen bitti on: Se on informaation minimiyksikkö, joka sanoo karkeasti "kyllä" tai "ei". Tämä rinnastuu helposti kolikkoon. Kolikko on sellainen, jonka heitossa saadaan joko kruuna tai klaava. Ja tämä tieto on bitin verran. Kubitiksi tilanne saadaan kuvittelemalla kolikko pyörimään. Se on jo heitetty. Silti ei ole varmaa onko se kruuna vai klaava: On vain todennäköisyysaalto sille, miten todennäköisesti kruuna tai klaava tupsahtaa. (Fysiikassa tietenkin lantit on korvattu yleensä fotoneilla ja atomien spineillä. Idea on kuitenkin olennaisesti sama.)
Kubitti on kuitenkin toisellakin tavalla erikoinen.
Jos minulla on kolikko, jonka tiedän olevan kruuna pystyssä. Ja pelaamme peliä, jossa jos kolikko on lopputilassa kruuna pystyssä, häviän. Jotta tilanteesta saadaan peli, minua vastassa on joku henkilö, joka joko kääntää kolikkoa tai ei käännä kolikkoa. (Valintans mukaan, enkä tiedä käänsikö hän sitä vai ei.) Tämän jälkeen minun annetaan tämän jälkeen kääntää tai olla kääntämättä kolikkoa. (Jota vastakumppanini ei tiedä) Tämän jälkeen vastustajani saa päättää kääntääkö hän kolikon vai ei käännä.
Kun tätä peliä pelataan useita kierroksia, kannattaa molempien olla mahdollisimman ennalta -arvaamaton: Jokainen yksittäinen kääntö arvotaan, olipa se minun tai sen toisen tekemä. Näin kumpikin voittaa puolet ajasta ja häviää puolet. (Jos taas on sääntö, tätä voidaan käyttää hyväkseen.) Myös Nashin tasapaino on tässä tilassa, joten tähän voittonsa maksimoiva sen asettaa. Peliteoriassa tulee tässä kohden esiin se jokaiselle pokeria joskus pelaavalle tutuksi tullut juttu: Paras pelitaoa ei suinkaan ole "aina samanlaisena toistettava tapa", vaan sen sijaan on oltava "yllätyksellisiä, ennalta arvaamattomia, mutta ei typerällä tavalla". Ei saa tarjota mitään toimintamallia, johon toiset tarttuisivat ja osaisivat käyttää hyväkseen. Sellainen pelaaminen ei toimisi fiksusti. Siksi vastaukseksi tulee usein "A toimii 30% ajasta satunnaisesti tietyllä tavalla ja 70% toimii satunnaisesti sillä toisella" ja "B toimii 45% tavalla yksi ja 55% tavalla kaksi"...
Mutta jos tilanteessa on pyörivä kolikko, tapahtuu mielenkiintoisia. Kubittimaailmassa voidaan nimittäin tehdä niin että kääntäminen muuttaa kolikon "epävarmaan tilaan", pyöriväksi kolikoksi. Tämän ominaisuus kvanttimaailmassa on se, että jos "käännät sen", se ei muutu mitenkään. Se on yhä pyörivä kolikko. Niinpä ei ole väliä käännätkö kolikkoa vai et: Toinen voi aina suorittaa lopuksi käänteisen kvanttioperaation, jonka seurauksena kolikko on aina alkuperäisessä tilassaan, eli kruuna. Tässä maailmassa et enää voita joka toinen kerta. Häviät aina. En ole keksinyt tätä kokeillakseni sitä, kuinka kovaa pajunköyttä voin syöttää niin että kaikki lukijat ottavat sen totena. David Meyer osoitti että "kubittimaailmassa" käy juuri näin. (Kannattaa katsoa vaikka googlesta sanaa "Meyers penny".)
Syy on oikeastaan se, että "pyörivä kolikko" ei tavallaan olekaan "joko kruuna tai klaava" vaan se on itse asiassa samanaikaisesti molempia. Kyseessä on superpositio.
"Pyörivän kolikon", eli kvanttimaailman "epävarmuustiloja" käytetään muutenkin hyväkseen. Esimerkiksi kvanttitietokoneita yritetään kehittää siten että kubitin erikoislaatuista superpositiota käytetään hyväksi : Ideana on karkeasti se, että kun "molemmat tilat ovat päällä samanaikaisesti", kvanttitietokone voisi laskea laskutoimituksen kaikille näille luvuille rinnakkain. Ainut ongelma tässä on se, että kun mittaus suoritetaan, superpositiotila romahtaa ja muuttuu "tavalliseksi kolikoksi". Tätä kautta kvanttitietokone voi ratkaista erityisen mutkikkaita kysymyksiä. Mutta vain sellaisia, joihin vastaus saadaan kysymällä yhden kerran. Peter Shor osoitti 1994, että esimerkiksi alkulukuihin jakaminen onnistuisi kvanttilaskennalla. Siihen voidaan vain laittaa luvut samanaikaisesti, ja väärät kumoavat itsensä. Saadaan oikea tulos.
Tällä on merkitystä, koska perinteisillä menetelmillä alkulukutekijöihin jako on vaikeaa, jos alkuluvut ovat melko suuria. Siksi tätä kikkaa käytetään useissa nykyisissä salausmenetelmissä. Kvanttitietokone tekisi sellaisesta helposti turhan. Nykyisin kvanttitietokoneet ovat kuitenkin kaukana "kotiPC" -vaiheesta. Niiden rakentelu on vielä erittäin alkuvaiheessa.
Toinen on tietysti kvanttisalaus. Siinä voidaan käyttää hyväkseen kvanttimaailman erikoisia ilmiöitä. Otan niistä esiin muutaman "tunnetuimman".
1: Kvanttilomittuminen. Tässä on ideana se, että kun hiukkaset ovat lomittuneet, ne vaikuttavat toisiinsa. Jos ne ovat kolikoita, ne ovat tässä tapauksessa molemmat pyöriviä sellaisia. Kun sitten laitan ne eri laatikoihin, ja katson että mikäs tuo laatikon A kolikko on, ja selviää että se on kruuna, on selvää että toisen laatikon sisällä on klaava. Näin käy vaikka laatikko olisi miten kaukana. (Ehkä tämä on mahdollista siksi että ne ovat oikeasti hiukkasia ja fotoneita, eivätkä aktuaalisia kolikoita. Tuntemani kolikot eivät toimi näin. Itse asiassa kokeilin. "There is no limits for inquiring minds!" Aito filosofi ei pelkää muita kuin valkotakkisia miehiä.) Jos taas pistän kvanttilomittuneet kolikot laatikkoon ja lähetän toisen sisarelleni, sillä hetkellä kun hän soittaa että se laatikossa oleva kolikko on kruuna, tiedän jo ennen laatikon avaamista että omani on klaava. Ja jos itse kurkistan laatikkoon, se kertoo sisareni laatikon sisällön. Näin tapahtuu, vaikka kyseessä ovat juuri ja nimen omaan ne "pyörivät kolikot". Kun tätä käytetään salaukseen, on tärkeää huomata että tarkkailu muuttaisi tilaa, eli ulkopuolinen tarkkailija sotkisi koko systeemin pelkällä tarkkailulla. (Normaalimaailmassa viesti ei muutu jos se salakuunnellaan. Kvanttimaailmassa käy toisin.)
2: No cloning theorem, jossa tuntemattomien kvanttitilojen kopioiminen on mahdotonta. Tähän on suorastaan "klassinen" eli "paljon toistettu" vertaus. Jos heitellään kolikkoa, ja meillä on vain yksi kolikonheitto, emme voi sen pohjalta päätellä toisen kolikonheiton tulosta.
3: Heisenbergin epätarkkuusperiaate, joka yksinkertaisesti esittää että fysikaalisten ominaisuuksien parien, kuten paikan ja nopeuden arvoja ei voida saada molempia. Mitä tarkemmin mittaat toisen, sitä epävarmemmaksi toisen tulos käy.
Yleensä kvanttisalauksessa perusidea on siinä että salakuuntelu ja viestin nappaaminen muuttaa itse viestiä, jolloin se paljastuu välittömästi. Kvanttisalauksella käsiteltyjä viestejä ei voi "lukea välistä", eli saada selville "salakuuntelulla matkan varrella". (Jota voisi verrata vaikka vanhanaikaiseen puhelinlinjaan tökättyyn kuuntelimeen.) Koska itse tarkkailu romauttaa muuttaa itse viestiä, se myös tulee näkymään tuloksissa. Tätä ei voi kiertää mitenkään, paitsi tarkkailematta jättämisellä. Toki tämä ei poista kaikkia salauksen ongelmia, koska se turvaa vain välityskanavan. Muita salakuuntelun ja vakoilun keinoja vastaan se ei suojaa.
Minun "filosofinen pointtini" tähän viitaten on se, että kvanttifysiikkaa käytetään usein perusteluna relativismille. Että kaavoihin kangistuneet fyysikotkin ovat joutuneet luopumaan tiedosta. Merkittävää on kuitenkin se, minkä tyyppistä epätietoisuutta he käyttävät. Sellaista, jolla on todennäköisyysjakauma. Sellaista, jolla voidaan tehdä sovelluksia. Sellaisia jotka jopa ratkovat muuten meille vaikeasti tavoitettavaa tietoa, kuten murtavat lukuja niiden alkulukutekijöihin. Selvästi kyseessä on epävarmuudesta ja oudoista asioista. Mutta mitään relativismia ne eivät ole.
Kuva on pitkällä valotusajalla otettu kuva kolikosta, jonka pistin pyörimään. Ne eivät kaukovaikuttaneet, vaikka niitä pisti pyörimään eri huoneissa. Eli en onnistunut lomittamaan niitä. (Johtuen kenties siitä että ne eivät olleet atomejen spinejä vaan kruunaa ja klaavaa) Mutta niistä sai kivan kuvan.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti