Nobelovka za fyziku nás přibližuje ke kvantovým počítačům

středa, 05 říjen 2022 10:05

Letošními laureáty Nobelovy ceny za fyziku se stali Alain Aspect, John F. ClauserAnton Zeilinger. Poslední jmenovaný v roce 2009 přednášel i na Matfyzu UK. Oceněni byli za objevy vedoucí k většímu pochopení, co se děje v kvantových stavech, což se dá využít v kvantových počítačích i kvantovém šifrování. Více komentuje Tomáš Mančal z MFF UK. Osobní vzpomínku připojuje i Jan Valenta a Jiří Klimeš.

aspect clauser zeilinger  3 2 992x656
Laureáti Nobelovy ceny 2022 za fyziku (zleva): Alain Aspect, John F. Clauser a Anton Zeilinger.

Dny od 3. do 10. října se ve vědeckém světě nesou ve znamení udílení těch nejprestižnějších ocenění – Nobelových cen. Magazín Forum již tradičně přináší komentáře odborníků spjatých s Univerzitou Karlovou. Včera svůj pohled na „medicínskou nobelovku“ sdílel profesor Viktor Černý. Dnes Nobelovu cenu za fyziku 2022 komentuje kvantový fyzik Tomáš Mančal z Matematicko-fyzikální fakulty UK:

„Od té doby, co se jako lidstvo snažíme pochopit zákonitosti materiálního světa, jsme nevymysleli nic ani z poloviny tak paradoxního jako je kvantová teorie. Některé její předpovědi se zdají odporovat zdravému rozumu, zatímco experimenty jeden za druhým takové překvapivé kvantové jevy potvrzují. Fyzici dokážou pomocí kvantové mechaniky určit vlastnosti hmoty často s větší přesností než nejlepší experimenty, a přesto se dodnes nedokážeme shodnout na tom, co to všechno znamená.

data web obsah puvodni verejnost konalo se 2014 03 strouhal gal dsc 1315 clip w800 h600 bcff0000 o50
„Zásluhou letošních laureátů se kvantová fyzika mohla posunout ven z laboratoří a stát se reálným základem nových technologií, například kvantových počítačů a kvantové telekomunikace," komentuje Tomáš Mančál. 

Málokdo viděl v počátcích kvantové mechaniky do jejích základů tak hluboko jako Albert Einstein, který ji společně s Borisem Podolským a Nathanem Rosenem v roce 1935 odsoudili jako neúplnou, tedy při nejlepším dočasnou teorii mikrosvěta. Důvodem bylo, že kvantová mechanika předpovídá tzv. nelokální korelace, tedy jakési působení na dálku mezi kvantovými částicemi, a to bez ohledu na vzdálenost. Autora teorie relativity, která předepisuje pro šíření informace ve vesmíru striktní rychlostní omezení, pochopitelně takový zdánlivý ,dopravní přestupek´ náležitě popuzoval.

O kvantové provázanosti

Když do kufru na dovolenou zabalíte jen jednu ponožku z vašeho oblíbeného páru, zjistíte při vybalování okamžitě, že druhá ponožka zůstala doma; a to i kdybyste byli na Marsu, kam jakékoliv informaci ze Země trvá cesta desítky minut. Informaci jste si totiž přivezli podsvětelnou rychlostí s sebou. Elementární částice ovšem žádné kufry nemají, a přesto spolu podle kvantové mechaniky sdílejí informaci o svém stavu na libovolnou vzdálenost – jsou takzvaně kvantově provázané. Kvantový systém si o sobě nenese úplnou informaci lokálně, kvantová mechanika je nelokální.

V roce 1964 formuloval John Stewart Bell nerovnosti, dnes nesoucí jeho jméno, které předepisují omezení na korelace mezi měřeními vlastností elementárních částic, kdyby si částice vezly informaci o svých stavech lokálně takříkajíc v kufru, ve formě nějakých skrytých parametrů. Svou prací otevřel možnost dopravní přestupek páchaný kvantovou teorií konečně experimentálně vyšetřit. Experimenty s elementárními částicemi, zejména má-li se jednat o jednotlivé částice, a ne jejich velké souboru, jsou extrémně obtížné.

Tři muži, kteří letos sdílí Nobelovu cenu za fyziku, se každý svým dílem zasloužili o to, že jsme si dnes v podstatě jisti, že příroda Bellovy nerovnosti porušuje. Předpovědi kvantové mechaniky se ukázaly i v tomto případě správné. John Clauser přetavil na počátku 70. let minulého století Bellovy myšlenky ve skutečný experiment a poprvé demonstroval porušení Bellových nerovností. Nicméně obtížnost experimentů v mikrosvětě s sebou téměř vždy nese možnost zadních vrátek pro různá alternativní vysvětlení. Alain Aspect svými experimenty v 80. letech dokázal uzavřít většinu takových zadních vrátek, a po jeho experimentech se lokální alternativy kvantové mechaniky prakticky odsouvají do oblasti nepravděpodobných obskurit.

c090420a161zeilinger
Anton Zeilinger v roce 2009 při přednášce na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze.

Práce posledního z laureátů letošní Nobelovy ceny za fyziku, rakouského fyzika Antona Zeilingera je pak příkladem toho, jak se zdánlivě nepraktické vědecké tázání po podstatě chování částic mikrosvěta může nečekaně stát základem pro celá průmyslová odvětví. Zeilinger demonstroval možnosti kvantové kryptografie a dálkové kvantové komunikace, kterou v principu nelze odposlouchávat. Také jako první demonstroval efekt teleportace kvantového stavu a ukázal jevy kvantové interference pro stále větší objekty, například pro fulereny, známé uhlíkové koule složené z desítek uhlíkových atomů.

Zásluhou letošních laureátů Nobelovy ceny za fyziku se kvantová fyzika mohla posunout ven z laboratoří a stát se reálným základem nových technologií, například kvantových počítačů a kvantové telekomunikace. Díky nim se sto let starý abstraktní intelektuální výkon hrstky fyziků, kterým kvantová mechanika bez pochyby je, proměnil v reálnou sílu pronikající do našich životů a kultury,“ shrnuje v komentáři Mančal.

Budoucí nobelista hostem na Matfyzu

A právě poslední jmenovaný laureát, Anton Zelinger, je nejvíce reálný i pro mnohé matfyzáky a matfyzačky – 20. dubna 2009 zavítal na Matematicko-fyzikální fakultu UK, kde měl prý „skvělou přednášku“, jak vzpomíná profesor Jan Valenta. Profesor Zelinger na Matfyzu nejvíce spolupracoval s profesorem Lubošem Skálou, který ale bohužel již před sedmi lety zemřel.

c090420a119zeilinger
Luboš Skála (vlevo) spolupracoval s letošním nobelistou, Antonem Zeilingerem.  

Osobní česko-rakouské vzpomínky má i kvantový fyzik Jiří Klimeš: „Z doby svého působení ve Vídeňské univerzitě více znám práci profesora Zeilingera. V té době jeho skupina prováděla experimenty jako například teleportace fotonů přes Dunaj, tedy experimenty, které připadají neskutečné i člověku trochu zvyklému na kvantovou mechaniku. Tyto práce jsou užitečné pro pochopení chování světa na úrovni částic a atomů, a také pro ,praktičtější‘ věci, jako jsou kvantové počítače,“ líčí držel prestižního ERC grantu, který nyní působí na MFF UK. A dodává, že letošní Nobelova cena jistě není pro obor kvantové fyziky poslední – zajímavých a zásadních experimentů je v této oblasti hodně.

Autor:
Foto: Nobel Prize, Jan Valenta, archiv

Sdílejte článek: