Zapletenie je neintuitívna myšlienka, že častice môžu mať vnútorné spojenie – spojenie, ktoré pretrváva bez ohľadu na vzdialenosť medzi nimi. Tento jav zostáva jedným z najbizarnejších a najmenej pochopených dôsledkov kvantovej mechaniky.
Zmerajte kvantové vlastnosti jednej z dvojice zapletených častíc a ostatné sa okamžite zmenia.
Takéto podivné javy boli zvyčajne odsunuté na subatomické. V poslednej dobe však fyzici posunuli zapletenie a ďalšie kvantové efekty do nových extrémov tým, že ich pozorovali vo veľkých systémoch vrátane oblakov atómov, kvantových bubnov, drôtov a leptaných kremíkových čipov. Zariadenie po zariadení prinášajú kvantový svet na nové územie – makroskopický svet.
Táto práca poháňa nové aplikácie. Niektoré experimentálne kvantové počítače používajú slučky supravodivého drôtu ako qubity, ktoré ukladajú kvantové informácie. Veľké kvantové objekty už boli použité na detekciu gravitačných vĺn; mohli by sa objaviť v zariadeniach novej generácie, ako sú ultracitlivé senzory a šifrovacie systémy. Tieto inovácie však presahujú špičkové technológie. Budovanie väčších a väčších kvantových objektov dokonca zvyšuje možnosť skúmať niektoré z najrozšírenejších nevyriešených záhad na priesečníku medzi kvantovým a klasickým svetom – a medzi kvantovou mechanikou a gravitáciou.
Dva svety
Odkedy rakúsky fyzik Erwin Schrödinger pred 90. rokmi prvýkrát opísal dualitu vlny a častíc, fyzici skúmajú hranicu medzi pozorovateľným, predvídateľným makroskopickým svetom a svetom, v ktorom dominujú pravdepodobnostné kvantové pravidlá. V kvantovom svete existuje častica ako vlna predstavujúca pravdepodobnosť jej umiestnenia. Po zmeraní sa však častica nachádza v bode v priestore.
Okrem toho, kvantová častica môže byť v superpozícii dvoch kvantových stavov, s určitou pravdepodobnosťou, že bude v jednom z nich. Elektrón môže byť napríklad v superpozícii vysokých a nízkych energetických hladín. Keď niekto vykoná meranie, tento stav sa zrúti; pozoruje sa, že elektrón má jednu alebo druhú úroveň. Podľa kvantovej mechaniky akt merania mení systém.
Takže to ide s zamotanými pármi. Zmerajte vlastnosti jedného a vlastnosti druhého, bez ohľadu na to, ako ďaleko, sú nastavené. To všetko je v rozpore so spoľahlivými newtonovskými pravidlami, ktoré riadia náš makroskopický svet, v ktorom sa objekt dá spoľahlivo nájsť na jednom mieste.
Kvantové pravidlá sa vzťahujú na jednotlivé atómy a iné denizeny najmenších rádov, ktoré veda pozná, a malé atómy tvoria všetko, takže je logické, že tieto účinky by sa mali zvýšiť. Ale ako ďaleko?
„Myslím si, že vo všeobecnosti si ľudia myslia, že neexistuje žiadna tvrdá hranica, kde by sa všetko náhle zmenilo a kvantová mechanika by sa stala nesprávnou,“ hovorí fyzik Simon Gröblacher z Delft University v Holandsku. „Ale ak narazíte na tvrdý limit,“ poznamenáva John Teufel z Národného inštitútu pre normy a technológie (NIST) v Boulderi, CO, „bol by to jeden z najzaujímavejších nálezov v tejto oblasti.“
Niektorí ľudia navrhli takýto limit. Podľa toho, čo je známe ako teórie vlnového kolapsu, neobjavené prírodné zákony vysvetľujú tieto kvantové záhady bez toho, aby sa odvolávali na myšlienku, že pozorovanie mení systém. Anglický matematický fyzik Roger Penrose predpokladal, že kolaps vlnovej funkcie je dôsledkom gravitačnej sily, takže systémy nad určitou hmotnosťou by nikdy nemali vykazovať kvantové správanie. Ghirardi-Rimini-Weberova teória, publikovaná v roku 1986, hovorí, že vlnová funkcia častice sa môže jednoducho spontánne zrútiť. Stalo by sa to zriedka každej jednotlivej častici, ale vo veľkom systéme vyrobenom z miliárd alebo viac zapletených častíc by kolaps jednej z nich čoskoro spôsobil kolaps všetkých. „Keďže teórie kolapsu sú také ad-hoc, dá sa len hádať, aká je veľkosť,“ hovorí Mika Sillanpää z Lahti University of Technology vo fínskom Mikkeli.
„Môže to byť miligram alebo veľkosť Zeme.“
Kvantové neviazané
Fyzici naďalej diskutujú o tom, do akej veľkosti prechádza mikroskopický svet do makroskopického a ako túto zmenu kvantifikovať. „Je to chúlostivá otázka a dostanete inú odpoveď ako takmer každý, s kým sa rozprávate,“ hovorí fyzik Jonathan Friedman z Amherst College v Massachusetts.
Napriek tomu experimentálni fyzici už demonštrujú kvantové efekty v čoraz zložitejších oblastiach. Nie je to ľahké. Kvantové efekty sú prchavé, jemné a krehké, utopené aj tými najmenšími vibráciami alebo termodynamickými výkyvmi. Ich pozorovanie vôbec vyžaduje experimentálne nastavenia, ktoré izolujú systém od tepla a hluku vonkajšieho sveta.
Vedci už roky dokážu úspešne tlmiť tento šum, aby pozorovali jednotlivé subatomárne častice a dokonca aj veľké atómy v zamotaných stavoch. Izolácia kvantových efektov nie je ani tak otázkou veľkosti ako zložitosti. Pozorovanie akéhokoľvek systému od jednotlivých atómov až po mikroskopické bubny znamená utíšenie hluku všetkých pohyblivých častí, aby kvantové efekty mohli vyjsť na hru. Najhlučnejšou premennou je zvyčajne teplo: „Teplota je forma šumu a zamaskuje niektoré z tých efektov a signálov, ktoré hľadáte,“ hovorí Teufel.
Hovorí, že mnohé nedávne demonštrácie rozsiahlych kvantových efektov vychádzajú z predchádzajúcich metód používaných na zmrazenie šumu v jednotlivých atómoch: „Využívame rovnaké vynikajúce techniky, nie pre jednotlivé atómy, ale pre kvadrilióny atómov, aby sme vytvorili veci, ktoré sú bližšie k skonštruovaným zariadeniam, ktoré môžeme pozorovať a využívať.“
Jeden prístup využíva slučku supravodivého drôtu, zvyčajne s priemerom asi mikrometer, prerušenú spojmi z nesupravodivého materiálu. Supravodivosť znamená, že elektróny prúdia okolo slučky bez odporu a prúd je možné merať na týchto križovatkách.
Fyzici môžu použiť magnetické polia na indukciu prúdu, ktorý prúdi v oboch smeroch okolo kruhu súčasne. To neznamená, že polovica ide jedným smerom a polovica druhým; Všetky elektróny pôsobia ako jeden a súčasne prúdia v smere a proti smeru hodinových ručičiek. V roku 2000 bol Friedman súčasťou skupiny, ktorá vložila veľké množstvo magnetického toku do superpozície. „Myslím si, že stále držím svetový rekord, verte tomu alebo nie,“ hovorí.
V poslednej dobe fyzici použili supravodivé slučky na výrobu toku qubitov, ktoré ukladajú kvantové informácie do magnetického toku. Pri správnom vyladení môžu tokové qubity ukázať kvantové efekty až na prekvapivé úrovne. V roku 2016 medzinárodná skupina fyzikov použila qubity toku na vylúčenie teórií, ktoré by predpovedali kolaps vĺn pri určitých prúdoch a časových rámcoch. Najmä kvantové zákony boli prítomné v ich tokovom qubite pri prúde 170 nanoampérov, najmenej 10 nanosekúnd. Tento druh merania vyvracia teórie, ktoré vyžadujú, aby k zrúteniu vĺn došlo na týchto – alebo nižších – stupniciach.
Mechanické systémy tiež vytvárajú príťažlivé kvantové ciele. V spoločnosti Delft dosiahol Gröblacher zapletenie na stupniciach blížiacich sa k makrosvetu pomocou membrán s priemerom 1 milimeter, ktoré môžu vibrovať niekoľko minút jediným štuchnutím, vďaka čomu sú príťažlivé ako ihrisko na testovanie mechanického zapletenia. Predpokladá, že v budúcnosti použije takýto systém na uvedenie živého organizmu do kvantovej superpozície. Tento experiment by si vyžadoval extrémne malé stvorenie, ako je tardigrade. „Ukázalo by sa, že aj takéto zložité systémy sa môžu správať podľa kvantovej fyziky,“ hovorí.
Nedávno Gröblacherova skupina vykonávala experimenty na zariadení zloženom z dvoch kremíkových čipov, ochladených takmer na absolútnu nulu. Každý čip má do neho vyrytý malý kanál dlhý len asi 10 mikrometrov. Tieto kanály pôsobia ako mechanické oscilátory, ktoré dokážu premeniť svetlo do pohybu. Pri zasiahnutí svetlom sa rozširujú a sťahujú takmer dokonale zladenou frekvenciou. Tiež prekladajú pohyb späť do svetla: oscilátor produkuje fotón, ktorý je emitovaný v rovnakom bode, kde vstúpil, ale ide opačným smerom.
Po umiestnení čipov 20 centimetrov (8 palcov) od seba, vedci poslali laserové impulzy cez rozdeľovač lúčov, ktorý poslal svetlo do oscilátorov. Toto svetlo spôsobilo, že jeden z dvoch oscilátorov vibroval. Potom vytvoril fotón, ktorý prešiel cez ďalší rozdeľovač lúčov a ďalej do detektora. Experiment bol nastavený tak, aby sa medzi oscilátormi zdieľala jedna excitácia. „S istotou vieme, že človek je nadšený, ale v zásade nemôžeme povedať, ktorý z nich, kým ho nezmeriame,“ hovorí Gröblacher. Vedci nedokážu povedať, ktorý oscilátor bol excitovaný, bez toho, aby zničili zamotaný stav.
Zapletenie bolo preukázané už predtým, ale v oveľa menších systémoch – od jednotlivých atómov až po oblaky studených plynov vytvorených z tisícov atómov. Naproti tomu tieto oscilátory obsahujú asi 10
10 Atómov.
V následných výsledkoch, publikovaných v novembri minulého roka, fyzici použili rovnaké nastavenie, aby dokázali, že zapletenie splnilo Bellovu vetu, pomenovanú po írskom fyzikovi Johnovi Stewartovi Bellovi. Zhruba povedané, veta hovorí, že zapletené kvantové stavy sú viac korelované ako čokoľvek možné s klasickými fyzikálnymi zákonmi. Štúdia bola prvou, ktorá uspokojila Bellovu vetu pre taký veľký systém. „Je to jeden zo spôsobov, ako mechanické systémy posúvajú hranice ďalej,“ hovorí Gröblacher. „Cieľom je otestovať kvantovú mechaniku vo veľkom meradle, mať veľa častíc spolu v kvantovom stave.“
Gröblacher si myslí, že to poukazuje na spôsob, ako využiť optické vlákna a kremíkové čipy na vybudovanie kvantovej siete. Tento rok jeho skupina ukázala, ako by toto experimentálne nastavenie mohlo pracovať so žiarením v pásme frekvencií používaných pre telekomunikácie.
Existujú však prekážky. Zmierňovanie horúčav je hlavnou výzvou, pokiaľ ide o takéto demonštrácie; Napríklad Gröblacherov systém vyžaduje, aby sa teplota blížila k absolútnej nule. Teplota je mierou toho, ako rýchlo sa jednotlivé atómy pohybujú, a čím viac pohybu, tým ťažšie je pozorovať kvantové efekty. Fyzici vyvinuli nástroje na zníženie tohto stavu, vrátane laserového chladenia, pri ktorom laserové lúče zachytávajú atómy a obchodujú s vysokoenergetickými elektrónmi za elektróny s nižšou energiou, a odparovacieho chladenia, ktoré odčerpáva atómy najvyššej energie, podobne ako unikajúca para ochladzuje šálku čaju.
Porazenie kvantového bubna
V apríli minulého roka skupina vedená Sillanpää na Technickej univerzite v Lahti predstavila ďalší spôsob, ako ukázať zapletenie s mechanickými systémami. Jeho skupina používala malé bubny: hliníkové membrány vyrobené z asi 10
12 atómy a priemer asi 15 mikrometrov, ktoré by mohli vibrovať hore a dole. Tie boli ochladené blízko absolútnej nuly. Fyzici tlmili mechanické vibrácie pomocou mikrovĺn tak, aby zostali iba kvantové výkyvy.
Analýzou mikrovĺn a vibrácií fyzici zistili, že okamžité polohy bubnov boli zapletené. Ak bol jeden bubon meraný v polohe 1, druhý okamžite zaujal polohu 2. Zapletenie pretrvávalo tak dlho, kým bubny zostali vystavené mikrovlnným rúram.
Účinok nebol spočiatku zrejmý, hovorí Sillanpää. „Nebolo to niečo, čo by sme hneď videli. Nerozumeli sme údajom, takže sme do nášho tímu dostali niekoľko dobrých teoretikov, ktorí veci vysvetlili a vyriešili,“ hovorí. Po viac ako roku, hovorí, analýzy konečne ukázali, že vibrácie sa nedajú merať bez toho, aby to ovplyvnilo druhú.
Tieto veľké kvantové systémy už pomohli vybudovať dôveru v podivnosť kvantových pravidiel. Naznačujú, že priepasť medzi kvantovým a klasickým svetom je menej hranicou, ako v teóriách objektívneho kolapsu, a skôr maskovaním. „Ľudia sa snažili nájsť niektoré základné princípy, ktoré by obmedzili kvantovú mechaniku,“ hovorí fyzik kondenzovanej hmoty Alexey Bezryadin z University of Illinois v Urbana-Champaign. „Ale zatiaľ ani jeden experiment nemôže nájsť túto základnú hranicu.“ Testy, ako sú tieto, podporujú myšlienku, že neexistuje žiadny limit pre kvantovú koherenciu – alebo ak existuje, je to nad rámec existujúcich experimentov.
Ďalšia vec, ktorú tieto experimenty nemôžu urobiť, je nechať ľudské oko priamo pozorovať, ako vyzerá systém, keď je v dvoch kvantových stavoch naraz. Napríklad, bez ohľadu na to, aké veľké sú tieto mechanické systémy a bez ohľadu na to, aké silné sú kvantové účinky, ľudské oko nikdy neuvidí objekt na dvoch miestach naraz.
„Je to hlavolam kvantovej mechaniky,“ hovorí Teufel. „Vezmite si napríklad bubon. Ak chcete opísať, čo robí, keď sa na to nepozeráte, je to naozaj na dvoch miestach naraz, hore a dole. Je to tu aj tam a nie je dovolené povedať, že je to v jednom alebo druhom. Ale keď vojdete a zmeriate, je to na jednom z týchto dvoch miest.“ Hovorí, že neexistuje jasný limit na to, ako by sa dali vybudovať veľké kvantové systémy.
Správne veci
Sillanpää hovorí, že jeho cieľom je teraz pracovať na tom, aby ukázal zapletenie na milimetrovej stupnici. Veľkou výzvou je nájsť správne materiály.
„Aj keď veľa vecí funguje ľahko na papieri, veci sa zmenia, keď ich prinesiete do laboratória,“ hovorí Sillanpää. Kým sa materiál neidentifikuje, nečistí, sonduje, neochladzuje a nesníma lasermi, fyzici nevedia, či má štruktúru, ktorú možno použiť vo veľkých kvantových zariadeniach. Na University of Illinois Bezryadin vyvíja materiály a techniky na vytváranie kvantových zariadení, ako sú supravodivé nanovlákna.
Hovorí, že najužitočnejšie materiály, ktoré sondujú kvantové efekty, sú tie, ktoré môžu zachovať koherenciu – to znamená tie, ktoré udržiavajú kvantové efekty čo najdlhšie. Dokonca aj keď sa ochladia na kúsok absolútnej nuly, niektoré materiály budú mať stále príliš veľa šumu vznikajúceho z interakcie atómov alebo inej jemnej kontaminácie, aby bolo možné využiť kvantové správanie.
Budovanie veľkých kvantových zariadení závisí od dôležitej rovnováhy. Na jednej strane musia byť atómy izolované, aby boli kvantové efekty užitočné. Na druhej strane musia byť citliví na príkazy a údaje. Napríklad v kvantovom počítači musí qubit „hovoriť“ s inými qubitmi a zároveň interagovať s vonkajším svetom.
„Ak je pre svoje prostredie úplne neprístupný, nie je možné ho použiť,“ hovorí Bezryadin. Hľadanie materiálov, ktoré spĺňajú tieto kritériá, je podľa neho prekážkou poľa. Fyzici však používajú výpočtové nástroje a modely na predpovedanie a vývoj materiálov, ktoré dokážu prekonať túto prekážku, a Bezryadin je optimistický, že rovnako ako úzke miesta v minulosti, fyzici sa pretlačia.Okrem hľadania správnych materiálov musia fyzici zdokonaliť svoje recepty na stavebné zariadenia a veľké systémy, ktoré vykazujú kvantové efekty. Napríklad v NIST strávil Teufel roky vývojom spôsobu, ako prehovoriť kvantové efekty z hliníkového bubna, ktorý je, aspoň pre kvantový systém, obrovský – obsahuje asi 10
15 atómy. Jeho skupina našla spôsoby, ako ochladiť tento systém na nižšie a nižšie teploty, blížiace sa k absolútnej nule. Ich prístup spočíva v pomalom vyťahovaní hlučných výkyvov, ktoré by mohli zakryť kvantové správanie. A pretože bubon je zabudovaný v obvode, môže byť užitočný v aplikáciách, ako sú počítače, ktoré kombinujú kvantové a klasické časti.
Využitie veľkého kvanta
Kvantové počítače môžu byť aplikáciou, ktorá s najväčšou pravdepodobnosťou bude mať prospech ako prvá z využívania kvantových efektov v makrosvete. Flux qubity sú zapletené, aby vytvorili experimentálne kvantové počítače, ktoré dokážu to, čo klasické počítače nedokážu.
Potom sú tu fotónové detektory, ako napríklad supravodivý nanowire vytvorený v roku 2017 inžiniermi z Duke University v Durhame, NC. Nanowire ukazuje pokles prúdu, keď sa fotón priblíži. Bezryadin je priekopníkom spôsobov, ako skonštruovať podobné supravodivé nanovlákna pomocou uhlíkových nanorúrok. Budúca kvantová komunikačná sieť bude medzitým vyžadovať opakovače a tieto zariadenia by mohli používať rozsiahle kvantové efekty na prenos zapletených stavov. Atómové hodiny získavajú svoju presnosť z oblakov zapletených častíc a čím viac častíc je zapletených, tým stabilnejšie sú hodiny.
Okúzľujúcou možnosťou je otvorenie toho, čo by mohlo byť najdôležitejšou otázkou v základnej fyzike: ako súvisí kvantová mechanika s gravitáciou, najmenej pochopenou zo všetkých síl v prírode? Supravodivé slučky pravdepodobne nepomôžu odpovedať na túto otázku, pretože prúd nemá dostatok váhy na to, aby sa gravitácia stala významnou. Väčšie mechanické zariadenia sa však nebudú môcť vyhnúť vplyvu najmenej pochopenej sily prírody. „Ak umiestnite masívny predmet na dve miesta naraz,“ hovorí Teufel, „gravitácia musí hrať úlohu. A keď máte gravitáciu a kvantové efekty spolu, ľudia sú nadšení.“
Fyzici z celého sveta navrhujú experimenty s použitím mechanického zapletenia na hranici tam, kde má gravitácia účinok. Dve nedávne snahy v tomto smere boli publikované v roku 2017, keď dva nezávislé tímy teoretikov – jeden z Oxfordskej univerzity a druhý vedený výskumníkmi z University College London, oba v Spojenom kráľovstve – navrhli stolové experimenty, ktoré budú používať mechanicky zapletené systémy na odhalenie, či je gravitácia kvantovým javom. Myšlienka týchto experimentov: ak vezmete dva objekty, ktoré interagujú iba gravitáciou – a inak nie sú prepojené – a môžu vytvoriť zamotaný stav, potom samotná gravitácia musí byť kvantovým správaním.
Fyzik z Oxfordskej univerzity Vlatko Vedral, ktorý vyvinul jeden z návrhov, vidí dve hlavné výzvy: kontrolu spôsobov, ako by sa systém mohol zrútiť do klasického stavu, a rozlišovanie medzi gravitačnými a elektromagnetickými účinkami. „Verím, že to nie je neprekonateľný problém,“ hovorí Vedral a poznamenáva, že vedci z Viedenskej univerzity napredujú s experimentálnymi návrhmi.
Teoretik Sougato Bose z University College London, ktorý pracoval na druhom návrhu, hovorí, že spolupracuje s inými skupinami na vytvorení interferometra, ktorý dokáže gravitačne zamotať dve hmoty. Bose hovorí, že ich plánom je začať s nanočasticami a postupne zväčšovať veľkosť až na rádovo stovky mikrónov alebo zlomok milimetra. Poznamenáva, že skupiny v Montane a Francúzsku začínajú s podobnými experimentmi.
Napriek tomu nie každý je presvedčený. Niektorí fyzici tvrdia, že tieto navrhované experimentálne návrhy používajú príliš veľa predpokladov na to, aby konečne vyriešili otázku, či je gravitácia kvantovým fenoménom.
Napriek tajomstvám kvantovej gravitácie sú fyzici fascinovaní dôsledkami štúdia zapletenia v pozorovateľnom, merateľnom a predvídateľnom svete. To, že mechanický systém môže byť na dvoch miestach naraz, alebo že meranie jedného vibračného systému malo pozorovateľný vplyv na iný, naznačuje, že hranica medzi klasickým a kvantovým svetom nie je len teoretickým konštruktom, ale aj niečím, čo treba pozorovať a pochopiť.