Fascinující svět kvantové fyziky: Částice, kterou zastaví neviditelná zeď

Představ si, že jdeš po ulici. Před tebou je velká zeď. Obědneš ji, držíš se pěkně daleko od zdi. A přesto tě to tlačí. V normálním světě by to nedávalo smysl. Ale v kvantovém světě? Tam se děje něco neuvěřitelného.

Duch, který tě zastaví

Vědci z Oxfordské univerzity nedávno udělali něco úžasného. Postavili kvantový počítač, který dokáže simulovat situaci, kdy se malá částice úplně zastaví magnetickým polem, kterého se vůbec nedotkla. Jo, čteš to správně. Částice se pohybovala úplně mimo magnetické pole, a přesto se její chování dramaticky změnilo.

Tohle jev se jmenuje Aharonov-Bohmův efekt a fyziky fascinuje už od roku 1959.

Co je na tom tak divného? V našem běžném světě musíš na něco působit, aby ses toho dotkl nebo byl aspoň blízko. Ale kvantová fyzika má úplně jiná pravidla. Nabitá částice může být ovlivněna magnetickým tokem — představ si to jako neviditelnou magnetickou energii — i když cestuje v oblasti, kde žádné magnetické pole není.

Jak to udělali?

Oxfordský tým vytvořil takzvaný hybridní kvantový systém. Vnímaj to jako malé kvantové hřiště se dvěma hlavními součástmi, které spolupracují.

Zaprvé použili qubity — základní jednotky kvantové informace. Jsou podobné klasickým bitům v normálních počítačích, ale mnohem nestabilnější a zajímavější. Tyto qubity zakódovali do uvězněných iontů. To jsou atomy s elektrickým nábojem, které drží na místě elektromagnetická pole.

Zadruhé přidali kvantové oscilátory, které vznikají z vibrací těch samých uvězněných iontů. Ty reprezentují pohyb.

Kombinací qubitů s oscilátory vytvořili jednoduchou smyčku, která funguje jako základní stavební kámen pro takzvanou mřížkovou kalibrační teorii. Bez zbytečného zacházení do matematiky — tyto teorie pomáhají fyzikům pochopit, jak hmota interaguje se základními silami vesmíru. Třeba s elektromagnetismem nebo silnou a slabou interakcí.

Skutečná magie: Kvantové provázání

Tady to začíná být opravdu zajímavé. Vědci uvedli qubity do stavu takzvaného provázání. Pokud jsi o kvantovém provázání slyšel, pravděpodobně víš, že jde o ten podivný „propojený" jev, kterému Einstein slavně říkal „strašidelné působení na dálku."

V tomto případě se toto provázání stalo náhradou za magnetický tok procházející jejich simulovanou smyčkou. Částice byla ovlivněna něčím, co nemohla vidět ani se toho dotknout — jen díky tomu, jak byl kvantový systém propojen.

Proč by tě to mělo zajímat?

Skvělá otázka! Tady je problém: simulovat tyto základní kvantové interakce na běžných počítačích je nesmírně náročné. Matematika je tak komplikovaná, že i superpočítače se u toho zapotí.

Ale kvantové počítače nabízejí úplně jiný přístup. Místo toho, aby vědci počítali všechno krok za krokem, můžou postavit kvantový systém, který se řídí stejnými pravidly, a prostě jen sledovat, co se stane. Je to jako kdybys místo řešení bludiště na papíře postavil skutečné bludiště a pustil tam malého robota, aby ho prozkoumal.

Tento výzkum ukazuje, že hybridní kvantové systémy jako ten z Oxfordu by mohly pomoci studovat interakce, které jsou jinak čím dál těžší na zkoumání. A to je důležité, protože pochopení těchto základních interakcí by mohlo jednou vést k lepším kvantovým počítačům, k pochopení základních stavebních kamenů vesmíru, nebo možná — jen možná — k objevení úplně nové fyziky, kterou si dnes ani nedokážeme představit.

Co z toho vyplývá?

Nebudu tvrdit, že je to lehké na pochopení. Čtu o kvantové fyzice roky a pořád mi to dělá boule na hlavě tím nejlepším možným způsobem.

Ale víš, co mě nejvíc nadchuje? Žijeme v době, kdy předpovědi zformulované před desítkami let v zaprášených fyzikálních článcích se konečně testují ve skutečných laboratořích. Když Einstein snil o svých „strašidelných" nápadech, nikdy si neuměl představit, že jednou postavíme stroje na jejich zkoumání.

Až ti příště někdo bude tvrdit, že fyzika je nudná nebo irelevantní, vzpomeň si: někde venku se částice zastavují neviditelnými silami, kterých se nikdy nedotkly. A upřímně? To je docela skvělé.