Nobelisté zkoumali strašidla
Letošní Nobelovu cenu za fyziku
Příroda se často chová jinak, než by lidé čekali. Lidský mozek je vyladěný evolucí pro řešení problémů v úzkém rozmezí parametrů. Jevy, které spadají mimo něj, nejsou nutně mimo dosah lidského chápání. Jejich objasnění však vyžaduje značné úsilí. Snad nejpodivnější a nejabstraktnější taková větev poznání je kvantová mechanika. Jde o nauku popisující mikrosvět. Předpovídá chování atomů a elementárních částic. Právě za výzkumy v oblasti kvantové mechaniky udělila nobelovská komise letošní cenu v oboru fyziky.
Ve zprávě k udělení ceny se píše, že ji Alain Aspect, John F. Clauser a Anton Zeilinger dostali za „za experimenty s provázanými fotony, které prokázaly porušení Bellových nerovností a otevřely cestu ke kvantové informatice“. Co to znamená?
EPR paradox
Do tajů mikrosvěta začali fyzikové pronikat teprve na začátku dvacátého století. Ke svému překvapení zjistili, že realita neexistuje, dokud ji někdo nezměří. V kvantové mechanice popisuje chování elementárních částic pravděpodobnostní funkce. Je to jakýsi oblak možností, co se s danou částicí může stát. Teprve během měření se jedna z nich zrealizuje. Mnoho fyziků zpočátku odmítalo takový pohled na svět přijmout. Byli mezi nimi i Němec Albert Einstein a dva Američané Boris Podolsky a Nathan Rosen. Tvrdili, že kvantová mechanika nepopisuje svět úplně.
Jako argument nabídli myšlenkový experiment. Říká se mu podle jejich iniciál EPR paradox. Dá se popsat zhruba následovně. Elementární částice mají vlastnost označovanou jako spin. Ze světa velkých rozměrů ji neznáme.
Připomíná ale moment hybnosti, který popisuje otáčení tělesa
Alain Aspect kolem své vlastní osy. Spin se vyjadřuje v celých nebo polocelých číslech, např. -1/2, 0, 1/2, 1 atd. Stejně jako moment hybnosti se zachovává.
Dejme tomu, že se částice se spinem 0 rozpadne na dvě další A a B. Když pak změříme spin částice A, dostaneme -1/2. Částice B proto musí mít automaticky spin +1/2. (Aby se zachovala původní nula.) Je přitom jedno, jak dlouhá doba uběhla od jejího vzniku a jakou vzdálenost urazila. I kdyby byla od částice A miliony světelných let, okamžitě se dozví, že má mít spin +1/2.
Bellova nerovnost
Einstein, Podolsky a Rosen to považovali za důkaz, že kvantová mechanika nedává smysl. Informace mezi částicemi by totiž musela cestovat nekonečnou rychlostí. V přírodě se ale nemůže nic pohybovat rychleji než světlo. Dvě částice z výše popsaného
Nobelova cena za fyziku 2022 byla udělena za experimenty se zapletenými fotony, které prokázaly porušení Bellových nerovností a byly průkopníkem kvantové informatiky.
1/3
získali Francouz Alain Aspect, Američan John F. Clauser a Rakušan Anton Zeilinger. Všichni zkoumali kvantovou provázanost. Je to jev, kterému Albert Einstein říkal strašidelné působení na dálku.
John F. Clauser příkladu by navíc musely zůstat propojené až do konce věků. Einstein to nazval „strašidelným působením na dálku“. Nevěřil, že může existovat. Neměl ale pravdu. Kvantová provázanost je realita.
Odpůrci kvantové mechaniky, kteří šli v Einsteinových stopách,
1/3
Anton Zeilinger
pak tvrdili, že elementární částice mají nějaké skryté vlastnosti. Na rozdíl od těch kvantových existují pořád, i když je zrovna nikdo neměří. Dlouho ale neexistoval způsob, jak to ověřit.
Navrhl ho až v roce 1964 dnes už bohužel zesnulý severoirský fyzik John S. Bell. Vymyslel typ pokusů, které dávají odlišné výsledky v závislosti na tom, jestli platí první, nebo druhá možnost. Pokud by se je povedlo zopakovat mnohokrát za sebou, měly vyplivnout jedno číslo.
Kdyby byla kvantová mechanika neúplná, mělo být menší nebo rovno než určitá hodnota. Pokud by bylo větší, je to naopak. Kvantová mechanika by byla správně. Odtud Bellova nerovnost. Všichni tři letošní nobelisté se věnovali jejímu ověřování.
Počítače budoucnosti
Jako první se o to pokusil John F. Clauser se svým už rovněž zesnulým
1/3
kolegou Stuartem Freedmanem. Vymysleli pokus s dvojicemi fotonů procházejících přes speciální filtry. Vyšlo jim, že Bellova nerovnost neplatí a Einstein se mýlil. Experiment měl ale několik slabých míst. Část fyziků o něm pochybovala. Další z nobelistů Alain Aspect ho zdokonalil. Jeho verze už byla neprůstřelná. Přijala ji většina fyziků.
Poslední z nobelistů Anton Zeilinger pak vymyslel další testy nerovnosti. Všechny vyšly ve prospěch kvantové mechaniky. Zeilinger navíc jako první realizoval jev zvaný kvantová teleportace. Na rozdíl od teleportace známé ze Star Treku se při ní nepřenáší hmota, nýbrž informace.
Může se to hodit při nejzajímavější praktické aplikaci kvantové provázanosti. Má jí být nový druh superrychlých počítačů. Zatím jsou v plenkách. Jednou by ale mohly řešit problémy, na něž dnešní počítače nestačí.
Kvantové počítače jsou zatím v plenkách. Jednou by ale mohly řešit problémy, na něž dnešní technika nestačí.