Mis on kvantmetroloogia?
Metroloogia kui mõõteteadus arendab erinevate suuruste ja nähtuste mõõtmise täpsust ja lihtsust, käsitledes mõõtemääramatust kui puudujääki teadmistes. Kui aga jõuda aatomite ja molekulideni, siis ilmneb üha enam hoopis fundamentaalfüüsikaline määramatus: Kui mõõta osakese ühte omadust, ei ole võimalik selle teisi omadusi mõõta. See tuleneb kvantmehaanikast.
Kvantmehaanika on füüsika haru, mis uurib ja seletab füüsikalisi nähtusi aatomite (ja väiksemal) skaalal. Kvantmehaanika abil võib kirjeldada kõiki süsteeme, sealhulgas ka makroskaalal (ehk piirkonnas, mis on ühel või teisel viisil silmaga nähtav). Liikudes piisavalt pisikesele tasandile – kui osakesi kirjeldatakse lainefunktsiooniga ja selle esinemise tõenäosusega – osutub, et kvantmehaaniline lähenemine kirjeldab selgemalt ja täpsemini osakeste käitumist. Kvantmetroloogia rajanebki just kvantmehaaniliste nähtuste uurimisel ja ära kasutamisel, et vajalikke ja paremaid mõõtetulemusi saada. Üks nendest nähtustest on osakeste põimumine.
Põimumisel kaks osakest (näiteks footonit, ehk valguse kvanti) on omavahel seotud selliselt, et ühe osakese olek sõltub teise osakese olekust sõltumata sellest, kus kumbki osakestest asub. Seda saab kasutada mitmel viisil.
Kvantmetroloogia rakendused
Meditsiinivaldkonnas omab organitest täpsete piltide tegemine üliolulist rolli: nendega on võimalik tuvastada mitmeid murekohti, näiteks kasvajaid, mis jääks muidu märkamatuks. Kasutatavaid süsteeme saab täpsemaks muuta, kasutades ära kvantide põimumist. Üks näide sellest oleks positronemissioontomograafia, kus uuritakse rakkude biokeemilisi muutusi. Seal kasutatakse ära põimunud kvante eraldavaid radioaktiivseid ühendeid: Kehasse süstitakse ühendit, mis eraldab lagunemise käigus põimunud footonite ehk valguse kvantide paare. Kvantmetroloogia abil on võimalik neid paare tuvastada ehk mõõta. Kuna tekkinud põimunud paari footonid liiguvad teineteise suhtes vastassuunas, on võimalik määrata läbi paljude kvantide paaride süstitud ühendi asukoht ning konstrueerida pilt uuritavast kehaosast.
Kvantmetroloogiat on ka rakendatud aja määramisel – kõige täpsemad kellad maailmas määravad aega aatomite kvantolekute muutuste järgi. Praegu on selleks enim kasutatud tseesiumiaatomit, mille järgi on ka defineeritud SI-süsteemi sekund. Viimase aastakümne jooksul on hakatud tegema ka kellade prototüüpe, mis kasutavad teiste ainete aatomeid (näiteks strontsium). Need prototüübid on võimaldanud palju täpsemat aja määramist. Kui praegu kasutatavate aatomkellade võimalik tekkiv viga on 1 sekund 300 miljoni aasta kohta, siis uutel, kelladel on see üks sekund 30 miljardi aasta kohta. Arvestades seda, et universum on eksisteerinud 13,7 miljardit aastat, on need üpris täpsed.
AS Metrosert Eesti metroloogia keskasutusena on arendamas kvantmetroloogia alast võimekust üksikute footonite ja põimfootonite allikate mõõtmistel, mille kasutusalad on täpsetest temperatuurimõõtmistest biomeditsiini ja turvalise sideni.
Kvantmetroloogia areneb kiirelt, kasutades uudselt kvantmehaanilisi arusaamasid, et mõõta nähtusi palju suurema täpsusega kui kunagi varem on suudetud. On põhjust arvata, et lähiaastatel areneb see valdkond aina suurema kiirusega ning tutvustab inimkonnale täpsust, mille sarnast pole varem suudetud ette kujutadagi.
Kasutatud allikad:
https://thequantuminsider.com/2023/05/08/a-general-guide-to-quantum-metrology-in-2023/
https://spie.org/news/photonics-focus/marapr-2023/driving-a-new-era-of-measurement-with-quantum-clocks?SSO=1
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/22/11/110601/pdf
https://www.space.com/31933-quantum-entanglement-action-at-a-distance.html
https://www.hopkinsmedicine.org/health/treatment-tests-and-therapies/positron-emission-tomography-pet