Slunce jako kvantový generátor? Vědci překvapili celý svět

Tohle zní jako sci-fi, ale je to čistá realita: fyzici přišli na to, jak pomocí obyčejného slunečního světla vytvořit kvantové provázání — ten podivný jev, kterému Albert Einstein říkal „strašidelné působení na dálku."

Doteď bylo jasné, že když chcete kvantové provázání využít třeba pro neprolomitelné šifrování nebo superrychlé počítače, potřebujete lasery. A hodně jich. Jenže lasery jsou energetický žrout. A čím větší jsou naše kvantové ambice, tím víc začíná spotřeba elektřiny připomínat problém.

Jenže pak přišlo to vzrušující.

Co je to vlastně to kvantové provázání?

Vysvětlím to jednoduše. Máte dva fotony — částice světla. Když je provážete, něco magického se stane: stanou se propojenými způsobem, který překračuje naši běžnou představu o vesmíru.

Změříte jeden foton a okamžitě víte něco o jeho partnerovi, a to ať jsou od sebe jakkoli daleko. Pokud byste měli dva takové provázané fotony, jeden na Marsu a druhý třeba ve svém obýváku, vždycky budou vědět, co ten druhý dělá.

A není to jen kuriozita. Kvantové provázání je základem pro kvantové počítače, neprolomitelné šifrování a snímače tak přesné, že dnešní nejlepší technologie vedle nich vypadají jako hračka.

Ten tradiční háček

Fyzici dlouho věřili, že na vytvoření provázání potřebujete velmi specifické, uspořádané světlo. Lasery produkují takzvané „koherentní" světlo — všechny vlny jdou v dokonalém souladu. Představte si vojenskou přehlídku, kde každý voják dělá přesně to, co má.

Sluneční světlo je ale naprostý chaos. Obsahuje každou barvu, cestuje každým směrem, prostě si dělá, co chce. Vědci si mysleli, že tenhle nepořádek provázání znemožní.

Ale tady přichází ta důležitá lekce: ty největší vědecké objevy často vznikají právě ze zpochybňování „zjevných" pravd.

Záblesk nápadu

Před pár lety začali výzkumníci na Univerzitě v Ottawě experimentovat s LED diodami — běžnými žárovkami, které rozhodně nejsou koherentní. K jejich překvapení zjistili, že i tyto neuspořádané zdroje světla dokážou vytvořit kvantové provázání. Světlo sice bylo v něčem chaotické, ale částice v něm mohly být provázané v jiných ohledech.

To zasadilo semínko. Co kdyby se dalo tuhle myšlenku dotáhnout do krajnosti — s něčím ještě chaotičtějším než LED dioda?

A tahle otázka je přivedla k slunečnímu světlu.

Jak na to

Problém byl obrovský. Sluneční světlo je rozptýlené a bez směru. Na vytvoření provázání ho ale potřebujete soustředit na nepatrný nelineární krystal — zhruba milimetr velký. Je to jako kdybyste se snažili naplnit nádobu pomocí hadice, ze které prší sluneční paprsky.

Řešení přišlo od výzkumníků z Max Planck Institute. Navrhli chytrý solární koncentrátor celý ze skla. Použili Fresnelovu čočku — podobnou tomu, co najdete v majácích — zhruba velkou jako okno. Ta sbírá sluneční světlo a přes kuželovitý systém ho posílá do optického vlákna tenkého jako lidský vlas.

S touto sestavou dokázali nasměrovat koncentrované sluneční světlo na miniaturní krystal a sledovat kvantovou magii.

Ten skutečný trik

A tady přichází to nejchytřejší. Vědci si uvědomili něco důležitého: i když je sluneční světlo chaotické v barvách a směrech, pořád může produkovat provázání v jedné konkrétní vlastnosti — polarizaci, tedy směru, kterým vlny kmitají.

Když navrhli aparaturu tak, že pro provázání byla důležitá jen polarizace, všechen ten chaos kolem prostě ignorovali. Sluneční světlo mohlo být chaotické úplně ve všem, a stejně to fungovalo.

Je to jako říct: „Jo, orchestr hraje úplně falešně a polovina muzikantů hraje z jiného notového zápisu — ale dokud bubeník udrží dokonalý rytmus, budeme to považovat za úspěch."

Výsledek? Provázání dosahovalo zhruba 94 % síly dokonalého provázaného stavu. To je vážně slušné číslo.

Proč by vám to mělo být jedno

Takže vědci umějí vytvořit kvantové provázání ze slunce. Proč by vás to mělo zajímat?

Představte si družice. Když chcete, aby družice vytvářela bezpečné kvantové šifrovací klíče, musíte ji naplnit lasery a veškerým vybavením na jejich pohon. To je těžké, drahé a energeticky náročné.

Se sluncem by družice mohla využívat hojně dostupnou sluneční energii na generování stejných klíčů. Méně hardwaru, menší váha, míň věcí, které se můžou pokazit v drsném prostředí vesmíru.

Ale ten větší obrázek je ještě vzrušující. Kvantové počítače jsou neuvěřitelně slibné, ale rozšiřování je bylo dosud noční můrou složitosti a energetických nároků. Když může sluneční světlo přispět k tvorbě provázání, možná se otevírá cesta ke kvantovým technologiím, které nebudou potřebovat elektrickou infrastrukturu malého města.

Přístupnější. Udržitelnější. Možnější.

Ten větší obrázek

Co mě na tomto výzkumu zasahuje nejvíc, není jen ten technický úspěch — je to myšlení za ním. Někdo se podíval na problém, u kterého každý předpokládal jedno řešení, a zeptal se: „A co když ne?"

Takhle pokročila věda vždycky. Ne tím, že přijímáme, co nám říkali, ale testováním předpokladů, ťukáním na hranice a občas objevením, že „nemožné" je ve skutečnosti docela proveditelné.

Takže až budete příště sedět na slunci, vzpomeňte si: to samé světlo, které vám ohřívá kůži, možná jednoho dne pomůže pohánět kvantové počítače, zabezpečovat globální komunikaci nebo odhalovat tajemství kvantové fyziky způsoby, které si dneska ani nedokážeme představit.

A to není špatné pro něco, co existuje 4,6 miliardy let.

#kvantováfyzika #věda #slunce #technologie #innovation