Hranice poznania

Slávnostné odovzdávanie Nobelových cien sa každoročne koná 10. decembra na výročie smrti Alfreda Nobela, no ich laureátov predstavujú jednotlivé komisie už v priebehu októbra. V spolupráci s projektom Vedátor vám prinášame prehľadný článok o objavoch vo fyzike, chémii a fyziológii alebo medicíne, ktoré odmenili v tomto roku.

Ilustrácia © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Tohtoroční laureáti prírodovedných cien získali ocenenie za pokroky v oblastiach kvantovej mechaniky, klik a bioortogonálnej chémie či evolučnej genetiky.

Kvantové previazanie

Kvantová mechanika dostala svoje definitívne kontúry koncom 20. rokov 20. storočia. Ľudí, ktorí na nej vtedy pracovali, viedla veľmi konkrétna experimentálna motivácia – zákony klasickej fyziky aplikované na mikroskopické objekty nedávali žiaden zmysel a viedli k hlúpostiam. Atómy nemali byť stabilné, zo žiaroviek malo vychádzať nekonečné množstvo smrtiaceho ultrafialového žiarenia a pod. Tieto problémy kvantová mechanika vyriešila a svet chvíľu dával zmysel.
Nová teória však veľmi rýchlo začala vystrkovať rožky. Zo zákonov kvantovej mechaniky postupne vypadávali čoraz zvláštnejšie dôsledky, ako napríklad meranie. Keď pripravíte časticu s vlastnosťou, ktorej hodnoty môžu byť 0 alebo 1, môžete to spraviť aj tak, že častica nemá konkrétnu hodnotu tejto vlastnosti. A to, ktorú hodnotu odmeriame, sa ukáže až v momente experimentu. Niečo podobné mal na mysli Erwin Schrödinger, keď uvažoval o svojej mačke.
Aby toho nebolo málo, pre systémy viacerých častíc sa v spojitosti s meraním môže diať ešte čosi podivnejšie. Môžeme pripraviť dve častice tak, že hodnoty tejto vlastnosti budú navzájom dané. Napríklad, ak pre jednu časticu nameriame hodnotu 0, pre druhú časticu už určite musíme namerať 1. To by ešte samo osebe nebolo až také zvláštne. No jednotlivé častice sú pred meraním naďalej v stave bez konkrétnej hodnoty. Prvá častica sa rozhodne, či bude výsledok experimentu 0 alebo 1, až v momente merania. Druhá častica tiež čaká do tohto momentu a svoju hodnotu nastaví podľa výsledku merania prvej častice. Tomuto hovoríme kvantové previazanie (z ang. entanglement).

Pôsobenie na diaľku

Alain Aspect, John F. Clauser, Anton Zeilinger, ilustrácia © Nobel Prize Outreach/Niklas Elmehed

Častice vznikli na jednom mieste, tak došlo k ich previazaniu. Kľúčové je však to, že pred meraním môžeme oddeliť častice na ľubovoľnú vzdialenosť. Kvantová mechanika predpovedá, že informácia o hodnote veličiny z merania prvej častice sa k druhej častici dostane okamžite a bez ohľadu na to, ako ďaleko od seba častice sú. Ich interakcia je teda nelokálna – deje sa na veľkú vzdialenosť. Takéto niečo sa nedá použiť na prenášanie informácie medzi ľuďmi, ktorí robia merania, ale aj tak to akosi nehrá s našou intuíciou.
Boli teda ľudia, ktorým sa to nepáčilo. Na čele s Albertom Einsteinom a jeho tvrdením, že Boh nehrá kocky, sa snažili vymyslieť model, v ktorom by sa kvantové správanie častíc dalo vysvetliť bez náhodných udalostí. Napríklad tak, že previazané častice sa na začiatku, ešte lokálne v mieste, kde k ich previazaniu došlo, dohodnú na všetkých možných odpovediach na všetky možné otázky, ktoré sa ich pri meraní môžete pýtať. Tak by sa zvonku zdalo, že sa pri meraní rozhodujú náhodne, ale ich rozhodnutia by boli vopred určené a hlavne by nedochádzalo k ďalekosiahlej nelokálnej interakcii.
Tu sa dostávame k výskumu, ktorý viedol k tohtoročnej Nobelovej cene za fyziku. Ešte v roku 1964 John Bell ukázal, že existuje spôsob, ako medzi kvantovou mechanikou a teóriou skrytých parametrov nájsť rozdiel. Nedá sa to na základe jedného merania. Keď však máme viac výsledkov vhodne zvolených meraní na jednej a druhej častici, vieme v nich nájsť rozdiel.

Experimenty s polarizáciou fotónov

Prvý laureát ceny John F. Clauser z USA zobral Bellovu ideu a pretavil ju do experimentu, ktorý sa dal aj prakticky realizovať. Úlohu veličín 0 a 1 plnila polarizácia fotónov (svetelných častíc) – efekt známy z módnych okuliarov alebo filtrov na fotoaparáty – a mohli byť vodorovne alebo zvislo polarizované. Vznikali tak, že ich polarizácie boli previazané zhodne. Ak sa jeden ukázal byť vodorovne polarizovaný, musel byť aj druhý a obrátene. Clauserove výsledky boli v zhode s predpoveďou kvantovej mechaniky a ukázali, že žiadne skryté parametre nemajú šancu pozorovania vysvetliť.
O niekoľko rokov neskôr urobil dôležité zdokonalenie predchádzajúceho experimentu Francúz Alain Aspect, druhý držiteľ ocenenia. Podarilo sa mu zostaviť aparatúru tak, že mohol meniť jej nastavenie medzi vytvorením previazaného páru a meraním polarizácií fotónov. Tým docielil, že v experimente nemala šancu vznikať preferencia pre isté kombinácie polarizácií. Tieto potenciálne preferencie boli posledným miestom, kde sa mohli teórie skrytých parametrov nepozorovane prešmyknúť našej pozornosti. No nebolo to tak a zdokonalený prístup definitívne ukázal platnosť kvantovo-mechanických predpovedí.

Carolyn R. Bertozziová, Morten Meldal, K. Barry Sharpless, ilustrácia © Nobel Prize Outreach/Niklas Elmehed

Prenos informácií

Vďaka týmto experimentom vieme, že ani jedna teória lokálnych parametrov nemôže byť správna. Boh predsa len hrá kocky, svet na úrovni častíc riadi náhoda a kvantové previazanie je skutočným a potenciálne užitočným prvkom prírody.
Tu prichádza tretí laureát tohtoročnej Nobelovej ceny Rakúšan Anton Zeilinger. V 90. rokoch bol hlavou kolektívu, ktorý ako prvý úspešne použil previazanie častíc v kvantovej teleportácii. Najskôr sa vytvoria dve dvojice previazaných častíc. Z každej dvojice sa jedna z častíc pošle ďaleko od tej druhej. Zvyšné dve častice sa k sebe priblížia a zariadi sa, aby medzi nimi došlo k previazaniu. Tak však budú previazané aj tie dve častice, ktoré sme na začiatku poslali preč. Dostaneme teda dvojicu previazaných častíc, ktoré v žiadnom momente svojej existencie neboli blízko pri sebe. A. Zeilingerovi sa podarilo teleportovať previazanie častíc a ukázať, že sú skutočne previazané, na vzdialenosť 144 km medzi ostrovmi La Palma a Tenerife, súčasťami Kanárskych ostrovov, a neskôr dokonca na viac ako 1 200 km použitím družíc. Tým sa im podarilo dokázať, že kvantové previazanie funguje naozaj tak, ako by sme očakávali.
Ocenenie má ešte jeden veľmi zaujímavý moment. V časoch, keď títo traja páni robili svoj výskum, išlo iba o základný výskum bez akejkoľvek praktickej motivácie. Jednoducho ich zaujímalo, ako to v tom svete funguje a čo presne sa dá a čo nie. V súčasnosti na týchto výsledkoch stojí a rýchlo napreduje oblasť kvantovej informácie, teória a čoraz viac aj prax kvantových počítačov.

Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 12/2022. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

Juraj Tekel
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave

Lukáš Konečný
Univerzita v Tromsø, Nórsko

Komentáre