Jak funguje kvantové provázání a proč ho Einstein neměl rád

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

dnes bych se rád ohlédnul za Nobelovou cenou za fyziku, kterou v roce 2023 dostali Francouz Alain Aspect, Američan John Clauser a Rakušan Anton Zeilinger. Každý z těchto tří vědců má za sebou bohatou minulosti v oblasti kvantové a Nobelovku dostali především za práci na jednom kvantovém jevu, kterému se anglicky říká quantum entaglement, česky kvantové provázání.

EPR paradox

Jak už jsem psal dříve, Albert Einstein dostal Nobelovu cenu v podstatě za práci v oblasti kvantové fyziky, ale tuto vědní oblast opravdu neměl. Vynaložil nemalé úsilí na to, aby dokázal, že je to celé mylně postavená hypotéza. Nejznámějším takovým Einsteinovým pokusem je Einstein-Podolského-Rosenův paradox (EPR paradox) z roku 1935. Tahle parta fyziků si vzala na mušku jednu ze základních vlastností kvantové mechaniky: nelokálnost. EPR paradox byl v Einsteinově době čistě myšlenkovým experimentem, protože neexistovala dostatečná technická úroveň, která by následující jev mohla změřit.

Seženeme nějaký kvantový systém - může to být třeba dvojice fotonů z jednoho zdroje. Fotony potom necháme letět každý opačným směrem třeba až na konec vesmíru. A protože kvantová mechanika tvrdí, že polarizace jednoho i druhé fotonu jsou na sobě závislé (kvantově korelované) a že polarizace nejsou určené v okamžiku kdy oba fotony opouštějí zdroj, nýbrž až v momentu, kdy ji fotonům tuto vlastnost změříme, pak lze provést následující. Změřením polarizace fotonu na jednom konci vesmíru nastavíme polarizaci fotonu na druhém konci. Pokud k tomu nedojde v okamžiku měření přes celý vesmír, jsi nahraná, kvantová fyziko. To proto, že kvantové provázání není jev lokální, ale skutečně nelokální.

Bellova nerovnost

EPR paradox a vůbec spor Einsten versus Bohr byl celá léta oblíbeným tématem rozhovorů za dlouhých zimních večerů, při dobrém doutníku a nějaké té skotské. Ta méně šťastná část fyziků vedla tyto debaty při svíčce a drkotání zubů v sibiřském gulagu, kam Stalin posílal každého, kdo byl chytřejší než on a odvážil se to dát najevo. Ale vraťme se zpět k té šťastnější části světa, do klubu gentlemanů, ke skleničce skotské.

Abychom mohli dokázat, že EPR paradox popisuje, jak funguje kvantový svět, je kvantová korelace. Einstein se zastával něčeho, čemu se říká skryté proměnné. Je to něco, jako když máme pár rukavic. Náhodně jednu vybereme a aniž bychom se na ni podívali, pošleme ji v balíčku na jeden konec vesmíru a tu druhou na druhý. A je jasné, že když příjemce balíček otevře, hned ví, jaký stav je na druhé straně, ale je to dané už od začátku, kdy jsme ty rukavice rozdělili a rozeslali. Ale kvantová fyzika funguje jinak, důležitá je nelokálnost.

Zde vstupuje do hry pan John Bell a jeho slavný teorém, Bellova nerovnost. Pokud si pod pojmem Bellova nerovnost představíš rozdíl mezi skutečně provolanými minutami a výší účtu od mobilního operátora, tak to je špatně, to je jiný Bell, Graham Bell, ten co vynalezl telefon. Bellova nerovnost funguje jinak, ale konec konců, když si o ní budeme povídat, můžeme zůstat u toho telefonování.

Jana a Jana, telefonický pokus

Mějme Janu a Janu, dvě Tvoje potencionální spolužačky, které toho provolají opravdu hodně. Obě mají dva mobily od dvou různých operátorů. A teď to začne být zajímavé, dostanou totiž těžký úkol - každá z nich si po dobu jednoho měsíce musí vždy ráno zvolit operátora, jehož služby bude daný den využívat a druhý mobil nechat doma. Musí to udělat náhodně, proto jsme jim přichystali minci s logy operátorů na jednotlivých stranách mince, ráno si jí právě jednou hodí a co padne, ten mobil si vezme. Na konci měsíce potom porovnáme celkovou útratu obou Jan.

Nyní do hry vstupuje věc, které se říká skryté proměnné (Einsteinovy rukavice). Jana i Jana jsou spolužačky a kamarádky, často si volají, mají podobný okruh přátel, ale jiné lásky a trochu jiné zájmy - to všechno ovlivňuje, zčásti společně pro obě, zčásti u každé zvlášť jejich potřebu telefonování nebo esemeskování. Pokud by se podařilo vysvětlit vztah mezi výší účtů Jany a Jany, třeba že první Jana bude mít účet vždy o něco menší, tedy pokud tento vztah dokážeme plně vysvětlit jenom díky skrytým proměnným bez ohledu na zvoleného operátora, je to špatně a kvantová fyzika má problém. Bellova nerovnost ale říká, že tento vztah závisí i na volbě operátora a to u obou dívek naráz.

Uvědomuji si, že jsem jako příměr nezvolil tu nejvhodnější oblast (vzhledem k vašemu věku je obtížné vysvětlit z jejich chování naprosto cokoliv). Zůstaňme raději u myšlenkové stránky tohoto pokusu, podobně jako se slavnou Schroedingerovou kočkou v krabici.

Schroedingerovy koťata a pokus pana Aspecta

Nelokálnost kvantové fyziky lze ostatně ukázat na potomcích této slavné kočky, která přežila pokus s krabicí, kvantovým jevem, kvantovým detektorem a smrtícím plynem. Poté se dožila vysokého věku, šťastně se vdala a přivedla na svět dvě koťata. Bohužel se jich ale zmocnili kvantoví mechanizátoři, zavřeli každé z nich do rakety, těsně před startem poslali do každé rakety po jednom kvantově korelovaném fotonu a potom odpálili každou z raket na jiný konec vesmíru.

Ještě je důležité dodat, že v raketě je obvyklé příslušenství kvantového pokusu: podpora života, zábavní modul her pro kočku a též nezbytný pekelný stroj, který pokud naměří například polarizaci P1, koťátko zabije. Kvantová fyzika předpovídá, že pokud najdou mimozemšťani někde na jednom konci vesmíru první raketu a jiní mimozemšťané na druhém konci vesmíru tu druhou, otevřením kabiny zjistí obě civilizace zjistí, že detektory kvantových stavů tikly přesně ve stejný čas, napříč celým vesmírem. Jedni najdou zteřelé kosti kotěte, na vyletí dlouhou cestou k smrti naštvaná kočka. Toto je další důkaz celistvosti kvantové mechaniky, protože EPR paradox lze aplikovat na kočku. Ale to, aby si ty dvě civilizace mezi sebou řekli co našli, bude potřebovat další čas, takže kauzalita zůstane zachována, což platí i dnes, kdy dokážeme podobným způsobem teleportovat informaci i na tisíce kilometrů daleko. Einstein může být spokojen.

Do roku 1982 byl podobný pokus možný pouze jako myšlenkový. V tomto roce na univerzitě v Paříží tým vědců vedený Alainem Aspectem pomocí měření právě polarizace fotonů, vysílaných z jednoho zdroje do dvou různých směrů potvrdil, že i v reálné přírodě dochází k narušení Bellových nerovností a tudíž že kvantové jevy jsou skutečně nelokální.

Právě na základě kvantové provázanosti dnes fungují kvantové počítače a i to byl podle mne jeden z důvodů, proč byla z pohledu psaní článku loňská Nobelova cena udělena právě výše jmenovaným fyzikům. Nejen že je to základ nové éry počítačů, ale už dříve soutěžili vědci mezi sebou, na jakou vzdálenost dokáží EPR navodit, třeba mezi zemí a družicína oběžné dráze, protože tímto způsobem by šla zavést neodposlouchatelná komunikace. Stačí, aby někdo před Tebou zachytil jeden z foton a na druhé straně se to dozvíš a nepůjde to nijak zamaskovat.