Slepí lidé zívají, když slyší zívat ostatní. Přestože nikdy neviděli zívání na vlastní oči, sdílejí tuto reakci s každým z nás — a to vědcům dlouho nedalo spát. Podobně neintuitivní a na první pohled záhadné je kvantové provázání, jev, který dokonce i Alberta Einsteina přivedl k tomu, aby o něm mluvil jako o „strašidelné akci na dálku“. Představa, že dvě částice, oddělené obrovskými vzdálenostmi, mohou být okamžitě vzájemně propojené, se vzpírala všemu, co znal o vesmíru.
Einsteinova záhada: Proč "strašidelná akce na dálku"?
Albert Einstein, jeden z největších myslitelů 20. století, nebyl z kvantové mechaniky příliš nadšený. Zatímco uznával její úspěchy v popisování světa subatomárních částic, mnoho jejích důsledků mu přišlo hluboce znepokojujících. Společně s Borisem Podolským a Nathanem Rosenem v roce 1935 představil takzvaný „EPR paradox“ jako myšlenkový experiment. Cílem nebylo oslavovat kvantové provázání, nýbrž naopak ukázat, že kvantová mechanika musí být neúplná a musí jí něco chybět.
Einsteinovi především vadila představa, že by měření jedné částice mohlo okamžitě ovlivnit stav jiné, provázané částice, bez ohledu na to, jak daleko od sebe jsou. To se zdálo porušovat dvě základní pilíře jeho fyziky: princip lokálního realismu a kosmický rychlostní limit světla z jeho teorie relativity. Lokální realismus říká, že objekty mají určité vlastnosti, i když je neměříme, a že žádný vliv se nemůže šířit rychleji než světlo. Okamžitá interakce na dálku, bez jakéhokoli přenosu informace, se mu jevila jako zcela nepřípustná a právě proto ji slavně nazval „spukhafte Fernwirkung“, neboli „strašidelná akce na dálku“ (zdroj: The Conversation).
Co je kvantové provázání a jak funguje?
Kvantové provázání je fascinující jev, kdy se dvě nebo více částic, například fotony nebo elektrony, propojí takovým způsobem, že jejich osudy jsou neoddělitelně spjaty. Představte si to jako pár speciálních mincí. Když hodíte jednu minci a padne vám panna, okamžitě víte, že na té druhé musel padnout orel, i kdyby byla na druhé straně galaxie. U kvantových částic je to ještě záhadnější – dokud minci nehodíte, je v jakémsi "superpozičním" stavu panny i orla zároveň.
Když provedeme měření vlastnosti jedné provázané částice, například jejího spinu (vnitřní moment hybnosti) nebo polarizace, okamžitě tím určíme odpovídající vlastnost jejího partnera. Ještě jednou – okamžitě, bez ohledu na vzdálenost, která je dělí. Tato „strašidelnost“ spočívá v tom, že se zdá, jako by částice „věděly“ o měření provedeném na té druhé, aniž by si mezi sebou posílaly jakýkoli signál. Právě tato okamžitá korelace bez zjevné komunikace vyvolávala Einsteinovy pochybnosti o úplnosti kvantové mechaniky (zdroj: Wikipedia). Kvantové provázání je fundamentální vlastností kvantového světa, která hluboce ovlivňuje naše chápání reality.
Bellův test a potvrzení neintuitivní reality
Einstein a jeho kolegové věřili, že musí existovat nějaké „lokální skryté proměnné“. Tyto skryté proměnné by byly jakési předem dané vlastnosti, které si částice nesou od okamžiku svého vzniku nebo provázání. Podle této představy by výsledky měření nebyly určovány okamžitou interakcí, ale pouze těmito předem stanovenými, lokálně obsaženými informacemi. Kvantová mechanika, jak ji známe, by tak byla neúplná a tyto skryté proměnné by ji doplňovaly, čímž by se odstranila „strašidelnost“ (zdroj: Quanta Magazine).
V roce 1964 však John Bell, fyzik z CERNu, představil svůj slavný Bellův teorém. Ten poskytl způsob, jak experimentálně otestovat, zda kvantové provázání lze skutečně vysvětlit těmito lokálními skrytými proměnnými. Bellova nerovnost stanovila matematický limit pro korelace, které by mohly existovat, pokud by lokální skryté proměnné byly pravdivé. Pokud experimenty poruší Bellovu nerovnost, pak to znamená, že lokální skryté proměnné nemohou vysvětlit chování provázaných částic a "strašidelná akce na dálku" je skutečným jevem.
Následné experimenty, zejména ty provedené průkopníky Johnem Clauserem, Alainem Aspectem a Antonem Zeilingerem, kteří za svůj přínos obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 2022, opakovaně potvrdily předpovědi kvantové mechaniky. Tyto experimenty statisticky porušily Bellovu nerovnost a prokázaly, že „strašidelná akce na dálku“ je skutečným jevem, který není způsoben lokálními skrytými proměnnými (zdroj: Caltech). To znamenalo, že Einstein se sice mýlil v tom, že kvantová mechanika je neúplná, ale instinktivně cítil její nejpodivnější aspekt.
"Einstein se sice mýlil v tom, že kvantová mechanika je neúplná, ale instinktivně cítil její nejpodivnější aspekt."
Provázání v praxi: Od filozofie k technologii
I když se kvantové provázání jeví jako okamžité, a zdánlivě tak porušuje Einsteinův rychlostní limit světla, není tomu tak v praktickém smyslu pro komunikaci. Navzdory okamžité korelaci nelze kvantové provázání použít k přenosu informací rychleji než světlo. Nemůžete například "nastavit" stav jedné částice, abyste druhému posílali zprávy. Výsledek měření na jedné straně je sice okamžitě znám na druhé, ale je náhodný. Teprve když se srovnají klasické informace o výsledcích měření z obou stran (což se děje rychlostí světla), lze potvrdit korelaci. Tímto způsobem není Einsteinova teorie relativity porušena.
Tato záhadná vlastnost kvantového světa se stala základem pro vznikající technologie, které by mohly revolučně změnit náš svět. Kvantové provázání je klíčovým zdrojem pro kvantové počítání, kde se provázané "qubity" využívají k řešení složitých problémů, které jsou pro dnešní superpočítače nerealizovatelné. Dále je nepostradatelné pro kvantovou kryptografii, která nabízí teoreticky nezlomitelné zabezpečení komunikace. Změna kvantového stavu by byla okamžitě detekovatelná, což by odhalilo jakýkoli pokus o odposlech. Kromě toho se provázání využívá v kvantových senzorech, které jsou mnohem citlivější a přesnější než jejich klasické protějšky (zdroj: Live Science).
Kvantové provázání, jev, který Albert Einstein nazval „strašidelnou akcí na dálku“, zůstává jedním z nejzáhadnějších a nejkontraintuitivnějších aspektů vesmíru, ale zároveň je potvrzenou realitou a základním kamenem pro budoucí technologické inovace.
