6. decembra 2022
previazanie

O kvantovej mechanike, previazaní a Nobelovej cene

Kvantová mechanika dostala svoje definitívne kontúry koncom dvadsiatych rokov dvadsiateho storočia. Ľudí, ktorí na nej vtedy pracovali, viedla veľmi konkrétna experimentálna motivácia – zákony klasickej fyziky aplikované na mikroskopické objekty nedávali žiadny zmysel a viedli k hlúpostiam. Atómy nemali byť stabilné, zo žiaroviek malo vychádzať nekonečné množstvo smrtiaceho ultrafialového žiarenia a podobne. Tieto problémy kvantová mechanika vyriešila a svet chvíľu dával zmysel.

Nová teória však veľmi rýchlo začala vystrkovať rožky. Zo zákonov kvantovej mechaniky postupne vypadávali zvláštnejšie a zvláštnejšie dôsledky. Napríklad také meranie. Keď pripravíte časticu, ktorá má vlastnosť 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. Také čosi mal na mysli 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, že ak pre jednu časticu nameriame hodnotu 0, pre druhú časticu už určite musíme namerať 1. To by ešte samé o sebe nebolo až také divné. Ale jednotlivé častice sú pred meraním stále v stave bez konkrétnej hodnoty. A prvá častica sa rozhodne, či bude výsledok experimentu 0 alebo 1, až v momente merania. Druhá častica tiež poslušne čaká do tohto momentu a svoju hodnotu nastaví podľa výsledku merania prvej častice. Tomuto hovoríme kvantové previzanie (po anglicky entanglement).

A teraz príde ten kľúčový moment. Častice vznikli na jednom mieste, tak došlo k ich previazaniu. Ale 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. Bez ohľadu na to, ako ďaleko od seba častice sú. Ich interakcia je teda nelokálna – deje sa na veľkú vzdialenosť. Takéto čosi sa nedá použiť na prenášanie informácie medzi ľudmi, ktorí robia merania, ale aj tak to akosi nehrá s našou intuíciou. 

Boli teda ľudia, ktorým to nepáčilo. Na čele s Einsteinom a jeho tvrdením, že Boh nehrá kocky, sa snažili vymyslieť model, kde by sa kvantové správenie častíc dalo vysvetliť bez náhodných udalostí. Napríklad tak, že previazané častice sa na začiatku, ešte lokálne v mieste kde k ich entanglovaniu došlo, dohodnú na všetkých možných odpovediach na všetky možné otázky, ktoré sa ich pri meraní môžete pýtať. A tak by sa zvonku zdalo, že sa pri meraní rozhodujú náhodne, ale ich rozhodnutia by boli dopredu určené a hlavne by nedochádzalo k žiadnej ďalekosiahlej nelokálnej interakcii.

A tu sa dostávame konečne k výskumu, ktorý k viedol k tohtoročnej Nobelovej cene. 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. 

Prvý tohtoročný laureát, John Clauser z USA, zobral Bellovu ideu a pretavil ju do experimentu, ktorý sa aj dal prakticky realizovať. Úlohu veličín 0 a 1 plnila polarizácia fotónov svetla – efekt, ktorý možno poznáte z fancy okuliarov alebo filtrov na fotoaparáty – a mohli byť pravotočivé alebo ľavotočivé. Vznikali tak, že ich polarizácie boli previazané zhodne. Ak sa jeden ukázal byť pravotočivý, musel byť aj druhý a naopak. A Clauserove výsledky boli v zhode s predpoveďou kvantovej mechaniky a ukázali, že žiadne skryté parametre nemajú šancu pozorovania vysvetliť.

O pár rokov neskôr urobil dôležité zdokonalenie predchádzajúceho experimentu francúz Alain Aspect, druhý tohtoročný laureát. Podarilo sa mu zostaviť aparatúru tak, že mohol meniť jej nastavenie medzi vytvorením previazaného páru a meraním polarizácií fotónov. Tým docielil to, 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. Ale nebolo to tak a aj zdokonalený prístup, teraz už definitívne, ukázal platnosť kvantovo-mechanických predpovedí.

Vďaka týmto experimentom vieme, že žiadna 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, rakúšan Anton Zeilinger. V devädesiatych 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 seba. Zvyšné dve častice sa k sebe priblížia a zariadi sa, aby došlo k previazaniu medzi nimi. Tým pádom ale budú previazané aj tie dve častice, ktoré sme na začiatku poslali preč. Tak dostaneme dvojicu previazaných častíc, ktoré v žiadnom momente svojej existencie neboli blízko pri sebe. Zelinigerovi sa podarilo teleportovať previazanie častíc, a ukázať že sú skutočne previazané, na vzdialenosť 144km medzi ostrovmi na Kanárskych ostrovoch a neskôr dokonca na viac ako 1200km použitím družic. Tým sa im podarilo dokázať, že kvantové previazanie funguje ozaj tak, ako by sme očakávali.

Ocenenie má ešte jeden veľmi zaujímavý moment. V časoch, keď ho títo traja páni robili svoj výskum, išlo len a 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. Dnes na týchto výsledkoch stojí a rýchlo napreduje oblasť kvantovej informácie, teória a čím ďalej tým viac aj prax kvantových počítačov. 

[Juraj]

Popis ocenenia https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/popular-information/

Informácie pre trochu náročnejších https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-physicsprize2022.pdf

Dano Nagaj rozpráva o čudesnom pôsobení na diaľku https://youtu.be/_Z1DyoAcgDc

Ľudia z Centra pre kvantové technológie na SAVke organizujú súvisiacu sériu prednášok, viac info nájdete na https://itkurzy.sav.sk/prednasky

Pridaj komentár