Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 33 – vyšlo 8. října, ročník 20 (2022) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

33/2022

Nobelova cena za fundamentální kvantové experimenty

Radek Beňo

Letošní udílení Nobelovy ceny za fyziku se neslo ve znamení kvantové teorie. Dne 4. října 2022 oznámila švédská Královská akademie věd, že laureáty této ceny se pro rok 2022 stávají Francouz Alain Aspect (z Univerzity Paris-Saclay a Polytechniky v Palaiseau), Američan John F. Clauser (ze společnosti J. F. Clauser & Assoc.) a Rakušan Anton Zeilinger (z Vídeňské univerzity). Cenu, kterou si rozdělili rovným dílem, obdrželi za experimenty s provázanými fotony, potvrzení porušení Bellových nerovností a průkopnické práce v kvantové informatice. Nobelova cenaNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. bude laureátům udělena dne 10. prosince, v den výročí smrti Alfreda Nobela. Za fyziku bylo do roku 2022 včetně rozděleno celkem 118 cen, z toho 47 cen jedinému nositeli, 32 cen dvojici a 37 cen trojici. Celkem tedy bylo uděleno 222 cen. Oceněných je ale jen 221, protože John Bardeen získal cenu dvakrát (za objev tranzistoru a za teorii supravodivosti).

Medaile předávaná při převzetí Nobelovy ceny

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. Kvantová superpozice – skutečnost, že se objekty mikrosvěta mohou nacházet ve více stavech naráz. Například elektron v atomárním obalu může mít současně dva energetické stavy, nebo může současně procházet dvěma otvory ve stěně. Pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je vždy možná i superpozice těchto stavů. Teprve při aktu měření objekt „získá“ jeden konkrétní stav. Například hzpotetická kvantová kočka nemusí být jen živá, nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, najdeme ji buď živou, nebo mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů komunikujících s okolím (kočka, člověk) je nemožná. Kvantová provázanost – kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme ihned určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených nebo entanglovaných stavech (z anglického entanglement). Provázané stavy se hojně využívají v kvantových technologiích, například v kvantových počítačích, při kvantové teleportaci, u kvantových senzorů a v kvantovém šifrování. Kvantová nelokálnost – skutečnost, že kvantové objekty nemusí být lokalizované v jednom jediném místě. Například elektron se vyskytuje v celém atomárním obalu a známe jen pravděpodobnosti jeho výskytu, foton se vyskytuje v obou ramenech interferometru současně atd. Kvantová nelokálnost objektů mikrosvěta spolu se superpozicí a provázaností kvantových stavů patří k základním pilířům současných kvantových technologií.

Kvantová teorie

Současná kvantová teorie vyrostla z kvantové mechaniky, která se rodila na počátku 20. století, kdy naše technologie poprvé umožnily pozorování projevů objektů mikrosvěta. Teprve po čtvrt století hledání a tápání vznikly první dvě varianty kvantové mechaniky – Heisenbergova maticová mechanika a Schrödingerova vlnová mechanika. Kvantový svět nás svými vlastnostmi, tolik nepochopitelnými pro člověka, udivuje dodnes. Jedním ze zajímavých a dnes velmi užitečných jevů v kvantovém světě je provázanost stavůKvantová provázanost – kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme ihned určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených nebo entanglovaných stavech (z anglického entanglement). Provázané stavy se hojně využívají v kvantových technologiích, například v kvantových počítačích, při kvantové teleportaci, u kvantových senzorů a v kvantovém šifrování..

Historie kvantově provázaných stavů se začala psát de facto jako pokus o vyvrácení kvantové teorie (resp. tzv. kodaňské interpretace kvantové mechaniky) v roce 1935. Tehdy jeden z nejvýznamnějších fyziků světa, Albert Einstein, spolu s Borisem Podolskym a Nathanem Rosenem sestavili myšlenkový experiment známý dodnes jako EPR paradoxEPR paradox – paradox kodaňské interpretace kvantové teorie zveřejněný v roce 1935 Albertem Einsteinem, Borisem Podolskym a Nathanem Rosenem. Podle něho by pro částice se společným původem mohlo dojít k tomu, že měření na jedné částici okamžitě ovlivní stav druhé částice. Einstein viděl řešení tohoto působení na dálku v neúplnosti kvantové teorie a předpokládal, že existují skryté parametry, které v experimentu nejsou uvažovány. V letech 1976 až 1983 byla existence lokálních skrytých parametrů experimentálně vyvrácena na základě Bellových nerovností., v němž dva objekty „komunikují“ okamžitě na libovolnou vzdálenost. Tyto interakce tehdy označil dokonce jako „strašidelné (spooky) interakce na dálku“ a prosazoval tradiční vnímání lokálního a kauzálního chování částic. Einstein předpokládal, že výměna informací mezi kvantově provázanými částicemi nemůže překročit rychlost světla. Proto navrhl, že by mohly existovat proměnné popisující tyto objekty, které neznáme, kvantově-mechanický popis je neobsahuje, a je proto nekompletní a v důsledku toho dochází k EPR paradoxu a jemu podobným. V roce 1964 zformuloval John Stewart Bell nerovnosti, pomocí nichž by bylo možné existenci skrytých proměnných buď potvrdit, nebo při jejich narušení vyvrátit. Stručně řečeno jde o to, že pokud existují v kvantové mechanice skryté proměnné, pak korelace mezi výsledky velkého počtu měření nikdy nepřekročí jistou mez. Bell teoreticky prokázal, že pokud skryté proměnné neexistují, je kvantové provázání neslučitelné s lokálním a kauzálním chováním částic, tedy pravý opak toho, oč Albert Einstein usiloval. Bell sám čekal poměrně dlouho, než fyzikální obec zareagovala na jeho objev a pokusila se o experimentální ověření Bellových nerovností. Jejich narušení (tedy neexistenci skrytých proměnných) se pokusili experimentálně dokázat v roce 1972 Stuart Freedman a John Clauser. Definitivní potvrzení, které je nezpochybnitelné, provedl Alain Aspect v roce 1982. Třetí z laureátů, Anton Zeilinger, využil provázanosti stavů dvou fotonů k jejich teleportaciKvantová teleportace – děj navržený v roce 1993 Charlesem Bennettem a poprvé uskutečněný v roce 1997 v Innsbrucku Anthony Zeilingerem. Je založena na tenzorovém součinu Hilbertových prostorů (popisuje provázání – entanglement – stavů) a vzájemném vztahu různých bází (Bellovy stavy). Při kvantové teleportaci se přenášejí virtuální EPR (Einsteinovy-Podolského-Rosenovy) páry tzv. ebitů, vytvořené z entropického vakua. Konkrétní informační proces pak lze popsat pomocí analogie Feynmanových diagramů s ebity a antiebity. V reálných teleportačních obvodech pro kvantové počítače může hrát úlohu ebitu například spin elektronu obsazujícího orbitální stav v polovodičové kvantové tečce (spintronika). na velké vzdálenosti. Všichni tři letošní laureáti Nobelovy ceny za fyziku prováděli experimenty s provázanými fotony, které přispěly nejen k pochopení základních principů fungování světa malých rozměrů, ale umožnily současný razantní nástup kvantových technologií.

John F. Clauser (*1. 12. 1942, Spojené státy americké)

John Clauser u svého druhého experimentu s kvantově provázanými fotony (1976).
Zdroj: Kalifornská univerzita, Lawrencova národní laboratoř v Berkeley.

První experimentální předpověď prokazující porušení Bellových nerovností, a tedy první vlaštovkou, že kvantovou mechaniku není možno nahradit teorií, která by obsahovala skryté proměnné, jak tvrdil Einstein, provedl v roce 1969 tehdy ještě postgraduální student na Kolumbijské univerzitě John F. Clauser ve spolupráci se Michaelem Hornem, Abnerem Shimonym a Richardem Holtem. Tato čtveřice výzkumníků sestavila z Bellových matematických nerovností experimentálně vhodnější přepis, který dodnes nese jejich jména – tzv. CHSH nerovnost. Následně byli v roce 1972 John Clauser a jeho postgraduální student Stuart Freedman první, kterým se podařilo experimentálně prokázat, že dvě částice vzdálené od sebe přibližně tři metry mohou být kvantově provázány. Sám Clauser k tomuto objevu dodává, že byl tehdy velmi smutný, že se Einstein ve svých předpovědích zmýlil. Jeden, i když vydařený experiment ale ve fyzice mnoho neznamená, a tak v následujících letech provedl Clauser další tři experimenty, které výsledky prvního potvrdily a ještě více rozšířily. V roce 1974 pak společně s Michaelem Hornem zformulovali tzv. Clauserovy-Hornovy nerovnosti. Clauser s Michalem Hornem zformulovali Clauserovu-Hornovu teorii lokálního realizmu, která v sobě spojuje principy lokality a realizmu.

Lokální realizmus předpokládá, že objekty mikrosvěta jsou skutečné (reálné), ať je pozorujeme, či nikoli, a že měřeným veličinám (například spinuSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole.) odpovídá cosi skutečného, nezávislého na měření. Výsledky měření jsou tedy známé předem, realizmus je jen variantou Einsteinovy teorie skrytých parametrů. Realizmus předpokládá, že ne všechny parametry objektů musíme měřit. Lokálnost zase předpokládá, že volba parametru měřená u jednoho objektu, nemůže ovlivnit experimentální výsledek u druhého objektu, tedy, že platí kauzalitaKauzalita – příčinná souvislost. Pokud jsou dva děje v příčinné souvislosti (například zapálení rozbušky a exploze) musí ve všech souřadnicových soustavách nastat ve stejném pořadí. Kauzálně spojené děje jsou v takové vzdálenosti, že mezi nimi mohl proběhnout světelný signál.. Tím jsou eliminovány Einsteinem kritizované strašidelné interakce na dálku. Představa byla taková, že k vysvětlení kvantového chování stačí buď narušení reality objektů, nebo lokálnosti měření, nikoli obou vlastností naráz. Teorie lokálního realizmu měla jepičí trvání, byla experimentálně vyvrácena ještě dříve, než došlo k její úplné formulaci. Nicméně z hlediska pokusů o zachránění kauzality v mikrosvětě má lokální realizmus zásadní význam.

Nutno podotknout, že v 60. a 70. letech minulého století nebylo experimentální testování kvantové mechaniky populární a sám Clauser vzpomíná, že například Richard Feynman byl jeho experimenty velmi uražen, kdy „jeho drzé úsilí se rovná vyznávání nedůvěry v kvantovou fyziku“, přičemž arogantně trval na tom, že kvantová fyzika je správná a nepotřebuje žádné další testování. I z jeho Alma Mater zaznívaly hlasy, že mu testování kvantové fyziky zničí vědeckou kariéru. Udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2022 tak může být jakousi satisfakcí za příkoří.

Alain Aspect (*15. 6. 1947, Francie)

Alain Aspect na tiskové konferenci 4. října 2022. Zdroj: Alain Jocard, AFP

Francouzský fyzik Alain Aspekt provedl v roce 1982 sérii dalších experimentů, které navazovaly na experimenty Johna Clausera. Původní experiment (především díky novým technologickým možnostem) modifikoval a snažil se zpřísnit měření tak, aby bylo porušení Bellových nerovností co nejvíce prokazatelné. Experimenty jsme podrobně popsali v AB 19/2020:

Sám Alain Aspect ke své vědecké kariéře s úsměvem dodává: „Snažili jsme se najít hranice platnosti kvantové mechaniky, ale nenašli jsme je.“ I v práci Alaina Aspecta pak někteří kritici nacházeli jisté mezery, čímž se stále nedařilo definitivně odpovědět na otázku, zda opravdu kvantová teorie porušuje princip lokálnosti a kauzality. Tento problém se pokusil v roce 2015 vyřešit Ronald Hanson z university v Delfách, který provedl to, co bylo později nazváno „prvním experimentem bez mezer“. I po tomto experimentu však někteří kritici stále trvají na tom, že se některé mezery v těchto experimentech nepodařilo vyvrátit a dokonce tvrdí, že je možné, že některé problémy jsou experimentálně netestovatelné.

Anton Zeilinger (*20. 5. 1945, Rakousko)

Anton Zeilinger. Zdroj: News in Germany.

Jak uvádí odůvodnění udělení letošní Nobelovy ceny za fyziku, trojice vědců provedla na poli kvantové mechaniky přelomové experimenty s využitím provázaných kvantových stavů, tj. stavů, kdy se dvě (a více) částice chovají jako jedna, i když jsou odděleny. Díky tomu stačí ke zjištěním informací o těchto částicích pozorovat pouze jednu z nich. Této provázanosti využil poslední z letošních laureátů, Anton Zeilinger, ke kvantové teleporotaci fotonů. Zjednodušeně řečeno, se kvantová teleportace opírá o velmi přesné přečtení kvantových stavů částice na jedné straně teleportu a na velmi přesnou rekonstrukci kopie na druhé straně teleportu. „Teleportem“ tak neputuje objekt, ale pouze informace o něm. Fanoušek sci-fi by v tomto duchu mohl říct, že se nejedná o Asgardskou technologii ze seriálu Hvězdná brána, ale spíše o triplikátor ze seriálu Červený trpaslík. Zeilinger začal s experimenty v Innsbrucku, kdy postupně dokázal teleportovat částice fotonů z laboratorních vzdáleností, pak pokračoval s experimenty ve Vídni, kde se mu podařilo teleportovat fotony mezi břehy Dunaje, a na Kanárských ostrovech, kde provedl teleportaci na vzdálenost 140 km mezi ostrovy La Palma a Tennerife. Zatím největším úspěchem byla teleportace na vzdálenost téměř 1000 km, při níž byly v roce 2017 teleportovány fotony z Pekingu na čínskou družici MiciusMicius – čínská družice pro kvantové technologie, která byla na oběžnou dráhu vynesena dne 17. srpna 2016 na palubě nosné rakety Dlouhý pochod 2D. Oficiální název družice je QUESS (QUantum Science Experiment Satellite). V červenci 2017 se podařila kvantová teleportace fotonů na vzdálenost 1 400 kilometrů. Téhož roku se uskutečnila distribuce kvantového klíče šifrované zprávy na vzdálenost 7 500 kilometrů. Alternativní název Micius je vytvořen ze jména čínského filosofa ze 4. století před naším letopočtem. a poté z oběžné dráhy do Vídně.

Experimenty s teleportací fotonů sice Zeilingera proslavily nejvíce, ale bez zajímavosti nejsou ani experimenty, v nichž hledal hranici mezi kvantovým světem a makrosvětem. Nakonec ukázal, že žádná takováto hranice neexistuje. Objekty mají kvantové vlastnosti tehdy, pokud je jim zabráněno komunikovat s okolím. Podrobnosti čtenář nalezne v AB 33/2009.

Závěrem

Jak už kdysi prohlásil Richard Feynman: „… Na druhé straně si však myslím, že mohu klidně prohlásit, že kvantové teorii nerozumí nikdo.“ Jde o svět tak odlišný od našeho, že se i špičkovým vědcům těžko hledají přirovnání, která by běžné veřejnosti alespoň trochu poodhalila jeho fungování. I přes tento fundamentální problém se však malými krůčky posouváme ve svém chápání mikrosvěta, a to především díky přesnějším matematickým modelům, abychom v zápětí otevírali doslova nové dveře do dalších světů poznání. V průběhu let tohoto nelehkého vývoje na poli kvantové teorie se tak lidstvu dostávaly do rukou technologie jako laser nebo tranzistor, které jsme běžně začlenili do našich životů a dnes si už kdokoliv dokáže jen velmi těžko představit život bez jejich aplikací. V dnešní době se díky novým objevům dynamicky rozvíjí kvantové počítače a kvantové šifrování. O to zajímavější nás pak čeká budoucnost, jelikož díky objevům, za které byly letošní Nobelovy ceny za fyziku uděleny, stojíme opět na prahu další revoluce, revoluce kvantové. A to všechno díky světu, který nechápeme.

Čínská kvantová družice Micius. Zdroj: USTC.

Odkazy