Nobelovu cenu získali priekopníci kvantovej fyziky. Skúmali jav, ktorý Einstein nazval strašidelným pôsobením

Komisia Kráľovskej švédskej akadémie vied dnes udelila najvyššie vedecké ocenenie vo fyzike za „experimenty s previazanými fotónmi, ktoré potvrdzujú porušenie Bellových nerovností a sú priekopníkom kvantovej informačnej vedy“.

Rovným dielom si ho rozdelia vedci Alain Aspect, John Clauser a Anton Zeilinger.

Nezávisle od seba skúmali, prečo sa dve častice správajú, akoby boli jednou jednotkou, aj keď sú od seba vzdialené.

Albert Einstein o tomto jave hovoril ako o „strašidelnom pôsobení na diaľku“. Erwin Schrödinger zase poznamenal, že je to najdôležitejšia vlastnosť kvantovej mechaniky.

Laureáti Nobelovej ceny za fyziku 2022. Zdroj – nobelprize.org

„Myslím si, že toto je jedna z Nobelových cien, na ktoré sa už dlho čakalo. Napriek tomu, že kvantová mechanika je nesmierne komplikovaná, považuje sa za jednu z najsľubnejších technológií pre toto storočie,“ hovorí Samuel Kováčik, teoretický fyzik z UK v Bratislave a zakladateľ popularizačného projektu Vedátor.

Dodáva, že v ostatnom čase stála fundamentálna kvantová mechanika pri oceňovaní trochu bokom. „Teraz to vyzerá, že v časticovej fyzike došlo objavom Higgsovho bozónu k istému zavŕšeniu výskumnej periódy a kvantová mechanika možno preberá žezlo.“

Čo sú previazané fotóny?

Jav, ktorý Einstein označil ako „strašidelné pôsobenie na diaľku“, čiže previazanie (angl. entanglement), si laicky môžeme predstaviť ako dvojicu častíc, ktoré si navzájom ovplyvňujú vlastnosti.

„Keby som mal dva previazané fotóny, ktoré vzdialim povedzme miliardu kilometrov, a s niekým sa dohodnem, že ich na pravé poludnie naraz zmeriame, výsledky budú spolu súvisieť, aj keď si to fotóny medzi sebou nemajú ako odkomunikovať,“ vysvetľuje Kováčik.

To, čo sa stane s jednou časticou v páre, teda určuje stav tej druhej.

Denník Guardian zase kvantové previazanie ilustruje na loptičkách. „Predstavte si, že máte bielu a čieru loptičku a dostanete jednu z nich. Ak dostanete bielu loptu, viete, že lopta, ktorá zostáva, je čierna.“

Dôležité je, že vlastnosti fotónu, respektíve loptičky, nie sú pevne stanovené, dokiaľ ich nepreskúmame. V scenári s loptičkou by to znamenalo, že obe sú sivé, respektíve v takzvanej „superpozícii bielej a čiernej“, až kým sa na ne nepozriete. Vtedy sa jedna zmení na bielu a druhá na čiernu.

Prečo to tak je?

Jednou z fyzikálnych hypotéz bolo, že tieto fotóny (alebo „loptičky“) môžu obsahovať nejaké „skryté premenné“ či inštrukcie, ktoré my síce nevieme prečítať, no určujú ich vlastnosti.

Začiatkom 60. rokov minulého storočia preto fyzik John Stewart Bell navrhol teóriu známu ako Bellova nerovnosť. Tá hovorí, že ak existujú skryté premenné, korelácia medzi výsledkami veľkého počtu meraní nikdy neprekročí určitú hodnotu.

Kvantová mechanika však predpovedá, že určitý typ experimentu poruší Bellovu nerovnosť, čo povedie k silnejšej korelácii, než by bolo inak možné.

Ocenení vedci podľa komisie Kráľovskej švédskej akadémie vied uskutočnili elegantné experimenty, ktorými Bellovu nerovnosť porušili, čím ukázali, že častice neobsahujú žiadne tajné informácie.

To, akú „farbu majú loptičky“, respektíve aké vlastnosti majú previazané fotóny či iné častice, zodpovedá náhode.

John Clauser postavil prístroj, ktorý vysielal dva previazané fotóny naraz smerom k filtru, ktorý testoval ich polarizáciu. Výsledok experimentu bol jasným porušením Bellovej nerovnosti a potvrdil, že fotóny fungujú podľa predpovedí kvantovej mechaniky.

Alain Aspect a Anton Zeilinger zase uskutočnili prelomové experimenty s použitím previazaných častíc, ktoré sa správajú ako jedna jednotka, aj keď sú od seba vzdialené. Ich výsledky tak prerazili cestu novým technológiám založeným na kvantových informáciách.

Využitie kvantovej fyziky

Kvantová fyzika je podľa fyzika Kováčika oblasť, v ktorej je stále čo skúmať a je nádejná v strednodobom hoizonte.

„Výsledky v kvantovej fyzike sľubujú veľké veci, no nebude to o rok-dva. Kvantové previazanie je dôležitou súčasťou kvantových počítačov a tie majú potenciál na využitie v medicíne či materiálovej fyzike, alebo kryptografii,“ hovorí fyzik.

Prenos z vyhlásenia Nobelovej ceny. Zdroj – Nobelova cena/YouTube

Aplikáciu v medicíne vysvetľuje tak, že lieky sú chemikálie, ktoré sa na fundamentálnej úrovni riadia pravidlami kvantovej mechaniky. „Keď chceme predvídať ich správanie, najpriamočiarejší postup by mal byť pomocou kvantového počítača. Pravdepodobne sa toho tak skoro nedočkáme, ale ilustruje to, čo všetko nám táto oblasť môže poskytnúť.“

Teleport na šifrovanie správ

Anton Zeilinger, jeden z ocenených vedcov, ktorý pôsobí na Viedenskej univerzite, sa zaslúžil najmä o rozvoj kvantovej teleportácie. To, čo znie ako sľubná forma cestovania inšpirovaná Star Trekom, je v skutočnosti diaľkové odoslanie stavu častice, ktorý vedci už stanovili.

To sa momentálne dá využiť napríklad na takmer dokonalé šifrovanie správ.

„Zaujímavé je, že hoci previazaný pár fotónov obsahuje informáciu o teleportovanom fotóne, my ju nepoznáme. V podstate tak preposielame správy bez toho, aby sme ich prečítali. Na jednom konci je správa zničená, no na druhom konci sa objaví,“ vysvetlil v minulosti pre Denník N fyzik Daniel Nagaj z Fyzikálneho ústavu Slovenskej akadémie vied.

Vo výskume kvantovej teleportácie patrí k lídrom Čína, ktorá v roku 2017 úspešne teleportovala fotón zo Zeme na satelit, ktorý bol vo výške 500 a viac kilometrov nad povrchom planéty.

Star Trek zatiaľ nehrozí

Samuel Kováčik vysvetľuje, že seriálové predstavy o tom, čo dokáže teleport, nemajú s kvantovou vedou veľa spoločného.

„Teleport, ako ho poznáme zo Star Treku, je dej, pri ktorom sa presunie hmota. Kľúčový rozdiel je, že pri kvantových teleportoch sa presúva iba kvantový stav. Hmotu musíme dodať my,“ vysvetľuje Kováčik rozdiel medzi vedou a vedeckou fantastikou.

Nefungovalo by podľa neho ani to, keby sa preniesla iba naša informácia s tým, že v cieľovej stanici by sme sa „poskladali“ z pripravenej hmoty.

„To by bolo teoreticky možné len vtedy, ak by ľudia dokázali byť v kvantovom stave. Lenže to nedokážu, pretože kvantový stav je veľmi krehký a je ťažké udržať v ňom čo i len malé množstvo častíc,“ vysvetľuje vedec. Udržať kvantové stavy je podľa neho aj jedným z najväčších problémov súčasných kvantových počítačov.