Fyzici našli kvantové provázání v krystalu. Věc, kterou můžete zvednout.

Musíš si sednout. Fyzici totiž právě objevili kvantové provázání — ano, tu "strašidelnou akci na dálku", kterou Einstein nevěřil — v něčem, co doslova můžeš zvednout a držet v ruce. V krystalu. Zhruba velikosti kostky cukru.

Když jsem se poprvé dozvěděl o kvantové mechanice, všichni mi říkali jedno: kvantové efekty existují jen v těch nejmenších měřítkách. Jednotlivé atomy. Miniaturní částice. Věci, které potřebují extrémní laboratorní podmínky, aby se vůbec daly pozorovat. Představa, že by kvantová podivnost mohla existovat v něčem makroskopickém, v něčem, co vidíš pouhým okem a cítíš v dlani? To znělo jako sci-fi.

Ale podle všeho to sci-fi není.

Anthillová analogie, která změnila vše

Výzkumníci z TU Wien (Vídeň, Rakousko) se nesnažili dokázat, že celý krystal může existovat ve dvou stavech současně — jako Schrödingerova slavná kočka. Místo toho si položili jinou otázku: mohou částice uvnitř krystalu fungovat společně v koordinovaném kvantovém tanci?

Vedoucí výzkumnice profesorka Silke Bühler-Paschen to vysvětluje nádherně. Říká, ať si představíš mraveniště. Když kopneš do mraveniště, reakce nepřichází od žádného konkrétního mravence — přichází od celé kolonie fungující společně. Mravenci jsou provázáni ve svém kolektivním chování.

Přesně tohle tým hledal. Ne kvantovou kočku, ale kvantové mraveniště.

A tady přichází ta šílená část: našli ho.

Jak vůbec měříte kvantové provázání?

Tady přichází na řadu chytrost. Tým použil takzvanou kvantovou Fisherovu informaci — koncept z kvantové informační vědy, který v podstatě měří, jak citlivě kvantový systém reaguje na změny.

Tady je ten klíčový postřeh: pokud částice jednají nezávisle (jako cizí lidé v davu), schopnost systému reagovat na narušení je omezená. Každá částice přispěje tím, čím přispěje, nic víc.

Ale když jsou tyto částice provázané? Celý systém může reagovat způsoby, které dalece přesahují to, co bys očekával od pouhého součtu jednotlivých příspěvků. Kolektivní chování vytváří něco většího než součet částí.

Představ si to jako orchestru. Jeden houslista může hrát hezky. Ale padesát muzikantů hrajících spolu, skutečně synchronizovaně, může vytvořit něco transcendentního. Totéž platí pro kvantové systémy: provázání jim umožňuje dosáhnout jakési kvantové harmonie.

Podivný kov, který to všechno odstartoval

K otestování této teorie výzkumníci vytvořili krystal z ceru, palladia a křemíku. Tento materiál patří do třídy takzvaných podivných kovů — a věř mi, fyzici se nad nimi hlavou synovali desítky let.

Podivné kovy se chovají... podivně. Jejich elektrické vlastnosti neodpovídají běžným pravidlům, která řídí většinu materiálů. Vedou elektřinu způsoby, které plně nechápeme, a byly spojovány s vysokoteplotní supravodivostí — což je docela velká věc, pokud jde o potenciální aplikace.

Ve výzkumném zařízení v Grenoblu namířil doktorand Federico Mazza na tento krystal neutrony a pečlivě měřil, jak na to reaguje. Výsledky? Jasný důkaz, že se děje něco neobvyklého.

"U normálního materiálu byste očekávali, že neutron přenese svou energii pouze na jednu částici," vysvětluje Mazza. Ale to není to, co ukázala data. Místo toho vzorec odpovědi naznačil, že minimálně devět kvantově provázaných entit jednalo kolektivně.

Devět částic, všechny uzamčené v kvantovém objetí, koordinující své chování způsoby, které se vymykají klasické fyzice.

Proč by vás to mělo zajímat?

Kromě faktoru "jejda, to je cool" má tento objev skutečný význam.

Za prvé, propojuje dva světy, které spolu nevždy mluví: kvantovou informační vědu a fyziku pevných látek. Výzkumníci vyvíjeli teoretické nástroje jako kvantová Fisherova informace v abstraktních kontextech kvantového počítání, a teď je aplikujeme na pochopení reálných materiálů v laboratoři.

Ale tady je to, co mě fascinuje nejvíc: tohle by konečně mohlo vysvětlit, proč jsou podivné kovy tak podivné.

Nedávný výzkum ukázal, že elektrický proud prochází podivnými kovy s neobvykle nízkým šumem — menší "zrnitost", než byste čekali. Nové výsledky o provázání nabízejí možné vysvětlení: místo aby se částice pohybovaly nezávisle a vytvářely náhodné fluktuace, elektrony by mohly být koordinovány prostřednictvím kvantového provázání, které tyto fluktuace přirozeně potlačuje.

Je to jako rozdíl mezi chaotickým davem lidí, kteří se všichni snaží protlačit dveřmi najednou, a synchronizovanou taneční skupinou pohybující se v dokonalé formaci. Jedno vytváří hluk a chaos; druhé plyne hladce.

Větší obrázek

Žijeme v vzrušující době, kdy se hranice kvantové mechaniky posouvají dál, než kdo kdy čekal. Ještě nedávno by myšlenka kvantových efektů v milimetrových krystalech působila absurdně. Teď je to experimentální realita.

Samozřejmě to neznamená, že budeme brzy zavírat Schrödingerovu kočku do krystalové krabičky. Kvantové chování zde detekované je kolektivní a subtilní — není to jako kdyby samotný krystal existoval ve dvou stavech současně. Ale znamená to, že kvantové provázání je rozšířenější, než jsme si mysleli, schované na místech, kde jsme nikdy nehledali.

A upřímně? To je to, co dělá vědu krásnou. Vesmír nás pořád překvapuje, ukazuje nám, že naše intuice o tom, co je "normální", jsou jen omezení, která jsme si sami uložili.

Příště až se podíváš na krystal — třeba na ten křemen v okně nebo na slánku na stole — vzpomeň si: možná skrývá kvantová tajemství. Tisíce částic, potenciálně tančící spolu způsoby, které nemůžeme přímo vidět, chovající se podle pravidel, kterým lidstvo trvalo staletí začít rozumět.

Co říkáš na takový myšlenkový experiment?