Kvantové prepletenie vynieslo trojici vedcov Nobelovu cenu za fyziku

Francúz Alain Aspect, Američan John F. Clauser a Rakúšan Anton Zeilinger sa stali tohoročnými nositeľmi Nobelovej ceny za fyziku. Získali ju za práce a experimenty umožňujúce lepšie pochopenie toho, čo sa nazýva kvantové prepletenie, alebo kvantové previazanie.

To, čo sa stane s jednou časticou v prepletenom páre, určuje, čo sa stane s druhou, aj keď sú príliš ďaleko od seba, než aby sa mohli navzájom ovplyvniť niektorým zo známych druhov silových pôsobení (silná a slabá interakcia, elektromagnetická sila a gravitácia). To, že sa to deje v jednom okamihu u oboch prepletených častíc, vyvoláva vrásky na čele vedcov a Albert Einstein nazval kvantové prepletenie „strašidelným pôsobením na diaľku“.

Jedným z dôvodov je, že kvantová mechanika spochybňuje axióm o rýchlosti svetla vo vákuu ako maximálnej rýchlosti vo vesmíre. Einsteinov-Podolského-Rosenov paradox – tiež známy ako EPR paradox, je dôsledok kvantovej teórie: pokiaľ mali dve častice (systémy) vo svojej histórii niečo spoločné (interagovali spolu), potom meranie uskutočnené v jednom zo stavov vedie k okamžitej zmene stavu druhého systému a to dokonca i v prípade, že tieto systémy sú veľmi vzdialené.

Nositelia Nobelovej ceny za fyziku za rok 2022. Zľava: Alain Aspect, John F. Clauser a Anton Zeilinger.

Vedci EPR paradox nazývajú aj „kvantovým strašidlom“, pretože ak by sa mala informácia medzi vzdialenými časticami preniesť okamžite, musela by prevýšiť rýchlosť svetla, čo teória relativity nepripúšťa. Problém je, že kvantové strašidlo“ naozaj existuje a funguje.

Výmena informácie medzi časticami sa deje bez prenosu signálu, ktorý by sme dokázali fyzikálne definovať (chýba nosič tejto informácie, resp. dnes takúto energiu nepoznáme) a jej šírenie pritom mnohonásobne (možno až 10 000x) prevyšuje rýchlosť svetla.

V posledných rokoch prebieha intenzívny výskum s cieľom využiť zvláštne vlastnosti jednotlivých časticových systémov na konštrukciu kvantových počítačov, budovanie kvantových sietí a zavedenie kvantovej šifrovanej komunikácie.

Alain Aspect, John F. Clauser a Anton Zeilinger pomocou prelomových experimentov preukázali možnosť skúmať a ovládať častice, ktoré sa nachádzajú v prepletených stavoch a tým priblížili aj využitie princípov kvantovej fyziky v praktických aplikáciách.

Typický Bellov test pozostáva zo zdroja častíc a dvoch vzájomne vzdialených meracích staníc.

Jedným z kľúčových faktorov tohto vývoja je, že kvantová mechanika umožňuje existenciu dvoch alebo viacerých častíc v previazanom (prepletenom) stave. To, čo sa stane s jednou z častíc v takom páre, určuje, čo sa stane s druhou časticou, aj keď sú od seba akokoľvek vzdialené.

Dlho sa riešilo, či je to spôsobené tým, že častice v prepletenom páre obsahujú skryté premenné – nejaké neviditeľné návody, aký výsledok majú v experimente dať. V 60. rokoch 20. storočia John Stewart Bell vyvinul matematický postup – tzv. Bellovu nerovnosť, ako to zistiť. Tohtoročný laureát Nobelovej ceny John Clauser rozvinul myšlienky Johna Bella a experimentálne dokázal výsledky kvantovej mechaniky tým, že porušil Bellovu nerovnosť. Kvantovú mechaniku teda nemožno nahradiť teóriou využívajúcou skryté premenné.

Po experimente Johna Clausera ale stále zostávali v chápaní týchto javov medzery. Alain Aspect vyvinul metódy, ktorými dokázal rad výhrad vyvrátiť. Do tretice Anton Zeilinger pomocou zdokonalených nástrojov a sérií experimentov začal používať previazané kvantové stavy, pričom jeho výskumná skupina preukázala aj existenciu kvantovej teleportácie. Pri nej sa kvantový stav z jednej častice prenáša na druhú, vzdialenú.

Keď sú dve častice v prepletených kvantových stavoch, môže niekto, kto zmeria vlastnosť jednej častice, okamžite určiť výsledok ekvivalentného merania na druhej častici bez toho, aby to musel kontrolovať. Navyše kvantové stavy ovplyvňuje aj to, či sa niekto „pozerá“ (meria ich vlastnosti), alebo nie.

Veci, ťažko pochopiteľné praktickým uvažovaním, sa však dejú a niektorí kvantoví fyzici mimo mainstreamu dokonca tvrdia, že takýmto spôsobom (myšlienkou) je možné ovplyvňovať aj makrosvet, teda „náš“ svet, v ktorom žijeme. Medzi väčšinovou vedeckou obcou si za takéto nápady hraničiace s mágiou a šamanizmom veľa uznania neužijú, ale nezabúdajme, že pred 2. svetovou vojnou aj Albert Einstein považoval kvantovú mechaniku za nesprávnu, či neúplnú teóriu. Ľady sa však začínajú lámať, čo môže naznačovať aj tohtoročná Nobelova cena za fyziku.