Představte si, že máte dvě kostky. Hodíte jednou a zjistíte, že padla šestka. V ten samý okamžik, aniž byste viděli druhou kostku, víte, že na ní padla jiná strana. To zní logicky. Ale co kdybych vám řekl, že ve světě kvantové fyziky je možné, aby zjištění, že na jedné kostce padla šestka, okamžitě ovlivnilo, co padlo na té druhé, i kdyby byla vzdálená na miliardy světelných let? Vítejte ve světě kvantové provázanosti, jevu, který Albert Einstein nazval „strašidelnou akcí na dálku“ a který dodnes mate ty největší myslitele, ale zároveň otevírá dveře k revolučním technologiím.
- Kvantová provázanost je jev, kdy dvě nebo více částic sdílí společný osud, bez ohledu na vzdálenost.
- Měření stavu jedné provázané částice okamžitě ovlivní stav druhé, což porušuje klasickou představu lokality.
- Tento jev je základem pro kvantové počítače, kvantovou komunikaci a kvantové šifrování, slibující technologickou revoluci.
Co je kvantová provázanost?
Kvantová provázanost je podivný a kontraintuitivní fenomén, který se objevuje na subatomární úrovni. Nastane, když dvě nebo více kvantových částic (například elektrony nebo fotony) vzniknou nebo interagují takovým způsobem, že jejich kvantové stavy se stanou vzájemně závislými. I když jsou od sebe odděleny obrovskými vzdálenostmi, zůstávají „provázané“ – měření vlastnosti jedné částice (např. jejího spinu nebo polarizace) okamžitě ovlivní odpovídající vlastnost druhé částice.
Nejde o to, že by částice měly předem určené stavy a my je jen odhalili. Před měřením jsou provázané částice v superpozici všech možných stavů. Teprve v okamžiku měření se jejich stavy „zhroutí“ do konkrétní hodnoty. A právě to je to „strašidelné“: zhroucení stavu jedné částice okamžitě ovlivní stav té druhé, jako by si vyměňovaly informace rychleji než světlo, což je v rozporu s principy klasické fyziky a teorií relativity. Einstein s tímto jevem zápasil, protože narušoval jeho představu o lokálním vesmíru, kde žádná informace nemůže cestovat rychleji než světlo.
Jak provázanost funguje (zjednodušeně)
Představte si dva provázané fotony, které vznikly z jednoho procesu a mají například opačnou polarizaci. Pokud jeden foton má vertikální polarizaci, ten druhý musí mít horizontální, a naopak. Před měřením ale ani jeden nemá určenou polarizaci; jsou v superpozici obou možností.
- Vytvoření provázaných částic: Například rozdělením jednoho fotonu na dva, nebo speciální interakcí dvou částic.
- Oddělení částic: Tyto dvě provázané částice se mohou vzdálit na jakoukoli vzdálenost. Jedna může být na Zemi, druhá na Marsu.
- Měření jedné částice: Když změříme polarizaci prvního fotonu a zjistíme, že je vertikální…
- Okamžité určení stavu druhé částice: …okamžitě víme, že druhý foton (na Marsu) má horizontální polarizaci, aniž bychom ho přímo změřili. Tato informace se přenesla „okamžitě“, aniž by cokoli cestovalo prostorem mezi nimi.
Tento jev byl mnohokrát experimentálně potvrzen, především díky práci fyziků jako John Bell, který navrhl testy pro ověření provázanosti, a Alain Aspect, který provedl klíčové experimenty v 80. letech. Nedávno (v roce 2022) obdrželi Nobelovu cenu za fyziku Alain Aspect, John F. Clauser a Anton Zeilinger za své průkopnické experimenty s provázanými fotony, které potvrdily porušení Bellových nerovností a upevnily existenci kvantové provázanosti.
Potenciál kvantové provázanosti pro budoucnost
Zatímco kvantová provázanost se může zdát jako čistě teoretická kuriozita, má obrovský potenciál pro revoluci v technologiích 21. století.
- Kvantové počítače: Využívají qubity (kvantové bity), které mohou existovat v superpozici 0 i 1 zároveň a mohou být provázané. Díky tomu mohou kvantové počítače zpracovávat obrovské množství informací paralelně a řešit problémy, které jsou pro dnešní superpočítače nemožné. Mají potenciál revolučně změnit oblasti jako je vývoj léčiv, materiálové vědy, umělá inteligence a finanční modelování.
- Kvantová komunikace a internet: Provázané částice mohou být použity k vytvoření kvantových komunikačních kanálů, které jsou ze své podstaty bezpečné. Jakýkoli pokus o odposlech by porušil kvantový stav a okamžitě by byl detekován. To je základem pro kvantovou kryptografii (QKD), která již dnes nachází praktické uplatnění pro zabezpečenou komunikaci.
- Kvantové senzory a metrologie: Provázanost zvyšuje citlivost měřicích zařízení. Kvantové senzory by mohly vést k neuvěřitelně přesným měřením času, gravitace, magnetických polí a dalších fyzikálních veličin, což by mělo dopad na navigaci, lékařskou diagnostiku a základní vědecký výzkum.
Výzvy a budoucnost
Navzdory obrovskému potenciálu čelí kvantové technologie založené na provázanosti značným výzvám:
- Udržení provázanosti: Kvantové stavy jsou extrémně křehké a snadno se rozpadají vlivem vnějšího prostředí (dekoherence).
- Škálovatelnost: Konstrukce kvantových počítačů s tisíci a miliony qubitů, které jsou potřeba pro praktické aplikace, je nesmírně obtížná.
- Chybovost: Kvantové operace jsou náchylné k chybám a je třeba vyvinout robustní metody korekce chyb.
Přesto výzkum v oblasti kvantové provázanosti a jejích aplikací rychle pokračuje. Vlády a soukromé společnosti investují miliardy do vývoje kvantových technologií, protože chápou jejich transformační potenciál. I když je „strašidelná akce na dálku“ stále záhadou, která čeká na své plné vysvětlení, je zároveň klíčem k odemknutí nové éry technologického pokroku, který by mohl navždy změnit náš svět. Pochopení provázanosti nás posouvá nejen k lepším technologiím, ale i k hlubšímu pochopení samotné podstaty reality.