Neskutočne previazaný svet
New York Times, 4. mája 1935 – Einstein útočí na kvantovú fyziku. Obrana nebola úplne presvedčivá a viedla k zmrazeniu “konfliktu” na niekoľko desaťročí…
Titulok do istej miery zavádzal a Albert Einstein vraj z toho nebol nadšený. Samotný vedecký článok vyšiel v časopise Physical Review 15. mája 1935 s názvom Môžeme považovať kvantovo-mechanický opis fyzikálnej skutočnosti za úplný? A. Einstein, R. Podolski a N. Rosen v ňom popisujú fyzikálnu situáciu (známu ako EPR paradox), v ktorej sa kvantové objekty navzájom ovplyvňujú na diaľku bez toho, aby na seba akokoľvek silovo pôsobili. To je v rozpore s našou skúsenosťou. EPR hovoria o strašidelnom pôsobení na diaľku (spooky-action at a distance) a nelokálnosti kvantovej reality.
Predpoklad skutočnosti
Verejné spochybnenie kvantovej fyziky si vyžiadalo ráznu reakciu. O päť mesiacov neskôr Niels Bohr, v tom čase hlavný advokát komunity kvantových fyzikov, zareagoval vlastným vedeckým článkom s presne rovnakým názvom. Problém zredukoval na zdanlivo metafyzickú otázku o správnosti predpokladu o skutočnosti vlastností jednotlivých systémov – existujú bez ohľadu na to, či tieto vlastnosti zisťujeme, alebo nie?
Na EPR článok reagoval aj Erwin Schrödinger, ktorý vo svojej trilógií článkov Súčasný stav kvantovej mechaniky z novembra 1935 nespochybňuje argumenty EPR, ale identifikuje kvantové previazanie vlastností (výsledkov meraní) dvoch rôznych systémov ako podstatu kvantovosti vrátane EPR paradoxu. Schrödinger ukazuje, že kvantová fyzika konzistentne vysvetľuje všetko pozorované a jej rozpor s predstavou lokálnej skutočnosti je všeobecne platnou kvantovou realitou.
Neurčité skutočnosti
Sme zvyknutí, že vlastnosti systémov sú skutočné a nezávisia od toho, či ich experimentovaním zisťujeme, alebo nie. Ak vyberieme z krabice guličku a zistíme, že je biela, tak je prirodzené predpokladať, že gulička bola biela už keď bola v krabici. Nie však v prípade, ak by gulička bola kvantová.
Kvantová neurčitosť nás učí, že ak vieme pravdepodobnosť, že systém má nejakú vlastnosť, tak to neznamená, že objekt túto vlastnosť aj skutočne má. Aby pravdepodobnosti akejkoľvek vlastnosti dostali skutočný obsah, potrebujeme o tejto skutočnosti získať informáciu – spraviť meranie. Súčasne s tým však zmeníme pravdepodobnosti ostatných vlastností systému vrátane samotnej zmeranej vlastnosti.
Pre kvantové systémy nemôžeme tvrdiť, že poloha a hybnosť sú skutočnými vlastnosťami jednotlivých kvantových systémov. Vieme hovoriť o pravdepodobnostiach tak polohy, ako aj hybnosti osobitne, ale kvantová neurčitosť vylučuje hovoriť konzistentným spôsobom o spoločnej pravdepodobnosti hodnôt polohy a hybnosti. Poloha a hybnosť sú navzájom nezlučiteľné vlastnosti kvantových systémov.
Nelokálne skutočnosti
Einstein, Podolski a Rosen uvažovali dva systémy, ktoré sa z jedného bodu od seba navzájom vzďaľujú síce náhodnými, ale navzájom rovnakými rýchlosťami. Ich polohy sú tiež náhodné, ale od počiatočného bodu rovnako vzdialené. Obidve tieto tvrdenia sú predpoveďami toho, čo by sme pozorovali, ak by sme merali ich rýchlosti, alebo ich pozície. Musíme si však vybrať, ktoré merania spravíme, aby sa z predpovedí stali odpovede a zistili sme rýchlosť, alebo polohu systémov.
Predpovede nám hovoria, že rýchlosti, aj pozície systémov sú perfektne korelované. Zmeraním rýchlosti jedného systému automaticky vieme, ako by meranie rýchlosti dopadlo na druhom systéme. Máme predstavu, že obe tieto hodnoty rýchlosti sú skutočné. K podobnému záveru by sme dospeli, ak by sme zmerali pozíciu iba prvého systému. Vyzerá to, že voľba merania na prvom systéme ovplyvňuje “skutočné” vlastnosti systému druhého.
Platí to aj v prípade, keď sú systémy od seba tak ďaleko, že akékoľvek vzájomné ovplyvňovanie nie je možné. Ak vylúčime ovplyvňovanie, tak, logicky, druhý systém má “skutočnosti” (polohu a rýchlosť) určené ešte pred meraním. To je však v rozpore s princípom neurčitosti ako ho sformuloval Werner Heisenberg. Rozpor nevznikne, ak pripustíme, že skutočné vlastnosti objektov sa na diaľku akosi ovplyvňujú, alebo nepoužijeme predstavu o existencii skutočných vlastností.
Skryté skutočnosti
Trojica autorov EPR paradoxu netvrdí, že predpovede kvantovej fyziky sú nesprávne. Kvantovú fyziku akceptujú ako efektívnu teóriu skutočnej fyziky mikrosveta. Navrhli hypotetickú teóriu skrytých lokálnych parametrov, ktoré popisujú fyzikálnu skutočnosť nášho sveta, ale ku ktorým možno nikdy nebudeme mať prístup. Podľa tejto predstavy je kvantová fyzika iba efektívnou štatistickou teóriou tejto “fundamentálnejšej” fyziky, podobne ako termodynamika je efektívnou teóriou štatistickej fyziky.
EPR paradoxu sa dlho nevenovala veľká pozornosť. Sporadické diskusie prebiehali v relatívne malých komunitách fyzikov. Zmenu naštartoval v roku 1964 írsky fyzik John Stewart Bell. Zamyslel sa nad tým, aké pozorovateľné dôsledky má predstava existencie skrytých lokálnych parametrov. A vymyslel experimentálne overiteľnú predpoveď dnes známu ako Bellova nerovnosť.
Súčasne spočítal, že kvantové systémy v špeciálnych situáciách, podobných ako uvažovali EPR, túto nerovnosť narúšajú. Kvantovú fyziku, tak ako ju poznáme, nie je možné nahradiť teóriou skrytých lokálnych parametrov. Buď je potrebné prirodzené predstavy o skutočnosti vlastností prehodnotiť, alebo fyziku modifikovať.
Experimentálne skutočnosti
V roku 1972 John F. Clauser spoločne so svojim doktorandom Stuartom J. Freedmanom spravili v Berkeley prvý test Bellových nerovností pre fotónové páry s previazanými polarizáciami. Zistili, že Bellove nerovnosti sú narušené v súlade s predpoveďami kvantovej fyziky. O desať rokov neskôr zrealizoval Alain Aspect so svojím tímom v Orsay vylepšenú verziu testu, v ktorom sa detektory nastavovali až potom, ako fotóny opustili zdroj. Tým sa vylúčila hypotetická možnosť, že samotná tvorba fotónov by bola závislá od meranej vlastnosti. Napriek pozorovaným narušeniam nerovností zostali niektoré hypotetické možnosti interpretovať tieto výsledky ako nekonkluzívne.
Experimenty, ktoré uzavreli všetky hypotetické fyzikálne otázky o lokálnej skutočnosti, boli zrealizované až v roku 2015. Najprv tím v holandskom Delft demonštroval narušenie nerovností medzi spinmi elektrónov. Neskôr v tom istom roku experimentátori v Boulderi (NIST) a vo Viedni pod vedením Antona Zeilingera nezávisle vylúčili existenciu skrytých lokálnych parametrov v experimentoch s fotónmi.
Previazané skutočnosti
Narušenie Bellových nerovností je prejavom kvantového previazania matematicky definovaného v roku 1989 nemeckým fyzikom Reinhardom Wernerom. V deväťdesiatych rokoch sa rozvinula teória kvantového previazania. Charles Bennett so svojimi spolupracovníkmi objavili kvantovú teleportáciu a vymysleli kvantové superhusté kódovanie – kvantové zovšeobecnenia Vernamovej šifry. Kvantové previazanie bolo identifikované ako nutná esencia kvantových algoritmov, ale aj kvantovej dekoherencie – procesu, ktorý “ničí” kvantové vlastnosti.
A. Zeilinger so svojím tímom zrealizoval niekoľko kľúčových experimentov využívajúcich kvantové previazanie medzi fotónmi. Ako prvý demonštroval trojčasticové kvantové previazanie, zrealizoval kvantovú teleportáciu a aj protokol výmeny previazania (entanglement swapping), ktorý umožňuje vytvoriť previazanie aj medzi systémami, ktoré spolu nikdy priamo neinteragovali. Vďaka tomu vieme vytvoriť kvantové previazanie na veľké vzdialenosti a využiť ho na vytvorenie šifrovacieho kľúča, alebo prenos kvantovej informácie (qubitov) pomocou teleportácie.
O kvantové previazanie nie je vo svete núdza. Vzniká takmer vždy, keď systémy interagujú, ale súčasne má svoje limity – je “monogamné”. Previazanie sa s ďalším systémom znižuje silu previazania pôvodného. Mágia nelokálnej skutočnosti však zostáva.
Autori článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov: wikipedia public domain, www.nobelprize.org