Nobelovu cenu za fyziku dostala trojice vědců za pochopení kvantového provázání

Letošními laureáty Nobelovy ceny za fyziku se stali Alain Aspect, John F. Clauser a Anton Zeilinger. Odborná komise rozhodla, že si ji zaslouží za lepší pochopení toho, co se děje v kvantových stavech.

Alain Aspect, John F. Clauser a Anton Zeilinger pomocí průlomových experimentů prokázali možnost zkoumat a ovládat částice, které se nacházejí v propletených stavech.

Nahrávám video
Nobelovu cenu za fyziku získá trio vědců Alain Aspect, John Francis Clauser a Anton Zeilinger
Zdroj: ČT24

To, co se stane s jednou částicí v propleteném páru, určuje, co se stane s druhou, i když jsou ve skutečnosti příliš daleko od sebe, než aby se mohly navzájem ovlivnit. Vývoj experimentálních nástrojů položil základy nové éry kvantových technologií.

Kvantová mechanika není jen teorie

Základy kvantové mechaniky nejsou jen teoretickou záležitostí. Probíhá intenzivní výzkum a vývoj s cílem využít zvláštních vlastností jednotlivých částicových systémů ke konstrukci kvantových počítačů, zdokonalení měření, budování kvantových sítí a zavedení bezpečné kvantové šifrované komunikace. Na tom všem má trojice letošních laureátů podíl.

Nahrávám video
Petr Kulhánek z Fakulty elektrotechnické ČVUT o Nobelově ceně za fyziku
Zdroj: ČT24

Mnoho aplikací se opírá o to, jak kvantová mechanika umožňuje dvěma nebo více částicím existovat ve společném stavu bez ohledu na to, jak jsou od sebe vzdálené. Tomuto jevu se říká propletení a je jedním z nejdiskutovanějších prvků kvantové mechaniky od doby, kdy byla tato teorie formulována. Už Albert Einstein mluvil o „strašidelném působení na dálku“ a Erwin Schrödinger zase tvrdil, že je to nejdůležitější vlastnost kvantové mechaniky.

Poznání kvantových jevů mění svět

V současné době existuje rozsáhlá oblast výzkumu, která zahrnuje kvantové počítače, kvantové sítě a bezpečnou kvantovou šifrovanou komunikaci.

Jedním z klíčových faktorů tohoto vývoje je to, že kvantová mechanika umožňuje existenci dvou nebo více částic v takzvaném provázaném (propleteném) stavu. To, co se stane s jednou z částic v takovém páru, určuje, co se stane s druhou částicí, i když jsou od sebe jakkoliv vzdálené.

Dlouhou dobu se řešilo, jestli je to způsobené tím, že částice v propleteném páru obsahují skryté proměnné – tedy nějaké neviditelné návody, které jim říkají, jaký výsledek mají v experimentu dát. V 60. letech 20. století John Stewart Bell vyvinul matematický způsob, jak to zjistit – říká se mu Bellova nerovnost.

Letošní laureáti Nobelovy ceny zkoumali propletené kvantové stavy a jejich experimenty položily základy revoluce, která v současnosti probíhá v kvantových technologiích.

John Clauser rozvinul myšlenky Johna Bella, což vedlo k praktickému experimentu. Když provedl měření, podpořil výsledky kvantové mechaniky tím, že jasně porušil Bellovu nerovnost. To znamená, že kvantovou mechaniku nelze nahradit teorií využívající skryté proměnné.

Po experimentu Johna Clausera ale stále zůstávaly v chápání těchto jevů mezery. Alain Aspect vyvinul metody, jimiž dokázal řadu výhrad vyvrátit, a posunul chápání provázání dál.

Anton Zeilinger pomocí zdokonalených nástrojů a dlouhých sérií experimentů začal používat entanglované kvantové stavy – jeho výzkumná skupina mimo jiné prokázala jev zvaný kvantová teleportace, který umožňuje přenášet kvantový stav z jedné částice na druhou na určitou vzdálenost.

„Je stále jasnější, že se objevuje nový druh kvantové technologie. Vidíme, že práce laureátů s propletenými stavy má velký význam, a to i mimo základní otázky interpretace kvantové mechaniky,“ uvedl Anders Irbäck, předseda Nobelova výboru pro fyziku.

Svět, kde selský rozum nefunguje

Když jsou dvě částice v propletených kvantových stavech, může někdo, kdo změří vlastnost jedné částice, okamžitě určit výsledek ekvivalentního měření na druhé částici, aniž by to musel kontrolovat.

Kvantová mechanika je zvláštní. Pokud bychom chápali objekty, které studuje, jako kuličky, pak by tyto kuličky neměly určené stavy, dokud nejsou změřené. Zjednodušeně řečeno: Je to, jako by obě kuličky byly šedé, a to až do chvíle, kdy se někdo na jednu z nich podívá. Pak může náhodně získat buď veškerou černou barvu, ke které má dvojice kuliček přístup, nebo se může stát bílou. A druhá kulička se okamžitě zbarví do opačné barvy. Jak je ale možné vědět, že na začátku neměla každá z kuliček určitou barvu?  A existuje vůbec barva, když se nikdo nedívá?

Propletené dvojice částic se podle kvantové mechaniky dají přirovnat ke stroji, který vyhazuje kuličky opačných barev do opačných směrů. Podle teorií, které používají takzvané skryté proměnné, míčky (částice) vždy obsahovaly skrytou informaci o tom, jakou barvu mají ukázat.

Kvantová mechanika ale říká, že míčky byly šedé, dokud se na ně někdo nepodíval, kdy se jeden náhodně změnil na bílý a druhý na černý. Jak to víme? Rovnice takzvané Bellovy nerovnosti ukazují, že existují experimenty, které dokážou tyto případy rozlišit. A právě takové pokusy prokázaly, že popis kvantové mechaniky je správný: příroda se tedy chová tak, jak předpovídá kvantová mechanika. Kuličky jsou šedé, bez tajné informace, a jen náhoda určuje, která se v experimentu stane černou a která bílou.

Zajímavé věci se dějí, když částice v propleteném páru cestují opačným směrem a jedna z nich se pak setká s třetí částicí takovým způsobem, že se stanou propletenými. Pak se dostanou do nového společného stavu: třetí částice ztratí svou identitu, ale její původní vlastnosti se přenesou na částici z původní dvojice. Tento způsob přenosu neznámého kvantového stavu z jedné částice do druhé se označuje jako kvantová teleportace. Tento typ experimentu poprvé provedl v roce 1997 Anton Zeilinger se svými kolegy. 

  • Alain Aspect, narozen v roce 1947 v Agenu ve Francii. Doktorát získal v roce 1983 na univerzitě Paris-Sud v Orsay ve Francii. Profesor na Université Paris-Saclay a École Polytechnique, Palaiseau, Francie.
  • John F. Clauser, narozen v roce 1942 v Pasadeně v USA. Doktorát získal v roce 1969 na Columbia University v New Yorku. Výzkumný fyzik v J. F. Clauser & Assoc. v Kalifornii.
  • Anton Zeilinger, narozen v roce 1945 v Ried im Innkreis v Rakousku. Doktorát získal v roce 1971 na Vídeňské univerzitě. Profesor na Vídeňské univerzitě.

Dějiny Nobelovy ceny za fyziku

Dne 27. listopadu 1895 podepsal Alfred Nobel závěť, v níž největší část svého jmění věnoval na několik cen, které dostaly jméno Nobelovy ceny. Jak je popsáno v Nobelově závěti, jedna její část byla věnována „osobě, která učiní nejvýznamnější objev nebo vynález v oblasti fyziky“. 

Od roku 1901 bylo uděleno 115 Nobelových cen za fyziku. Šestkrát nebyla udělena: v letech 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 a 1942. Během první a druhé světové války bylo uděleno méně Nobelových cen.

Celkem 47 cen za fyziku bylo uděleno pouze jednomu laureátovi, o 32 cen za fyziku se podělili dva laureáti a 36 cen za fyziku si rozdělili tři laureáti. Ve stanovách Nobelovy nadace se totiž píše: „Výše ceny může být rovnoměrně rozdělena mezi dvě práce, z nichž každá je považována za práci, která si zaslouží cenu. Pokud dílo, které je odměňováno, vytvořily dvě nebo tři osoby, udělí se jim cena společně. V žádném případě nesmí být částka ceny rozdělena mezi více než tři osoby.“

Nobelova cena za fyziku byla v letech 1901 až 2021 udělena 219 laureátům. Ale protože John Bardeen dostal toto ocenění dvakrát, existuje jen 218 osobností, kterým byla udělena Nobelova cena za fyziku. 

Dosud nejmladším laureátem Nobelovy ceny za fyziku je Lawrence Bragg, kterému bylo jen  25 let, když mu byla v roce 1915 společně s jeho otcem udělena Nobelova cena. A dosud nejstarším laureátem Nobelovy ceny za fyziku je Arthur Ashkin, kterému bylo v roce 2018, kdy mu byla Nobelova cena udělena, 96 let.

Z 218 osobností oceněných Nobelovou cenou za fyziku jsou čtyři ženy, tou první byla roku 1903 Marie Curieová, která v roce 1911 získala také Nobelovu cenu za chemii. 

Nobelovu medaili za fyziku navrhl švédský sochař a rytec Erik Lindberg a představuje přírodu v podobě bohyně připomínající Isis, která se vynořuje z mraků a v náručí drží roh hojnosti. Závoj, který zakrývá její chladnou a přísnou tvář, drží Génius vědy.

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

Zákaz mobilů ve školách dle výzkumu přímo nezlepšuje známky ani duševní pohodu

Zákaz mobilních telefonů ve školách nevede přímočaře ke zlepšení studijních výsledků. Žáci sice nejsou tak rozptylováni, ale na druhou stranu roste neklid a nekázeň ve třídách. Vyplývá to z dat z 21 zemí včetně Česka, která analyzovali vědci výzkumného týmu IRTIS Fakulty sociálních studií Masarykovy univerzity v Brně. Podle tohoto výzkumu plošné zákazy nefungují a nejsou tedy ani univerzálním řešením. Vhodnější je přizpůsobit pravidla místním podmínkám.
před 2 hhodinami

Při extrémních vedrech vznikají nad městy nanočástice schopné proniknout do plic

Světová velkoměsta se vlivem oteplování planety i toho, jak zastavěná jsou, stávají stále rozpálenějšími kotli. Má to v mnoha ohledech negativní dopady na lidské zdraví. Teď vědci popsali další možný: vznik atmosférických aerosolů složených z nanočástic, které mohou proniknout do plic. To se donedávna pokládalo za nepravděpodobné.
před 2 hhodinami

VideoAI dokáže žákům vygenerovat cvičení na míru, pomáhá i učitelům

Umělá inteligence pomáhá nejen studentům, ale i učitelům. Přípravy si s její pomocí dělá asi polovina z nich. Na její využití na školách se zaměřil nový výzkum odborníků z ČVUT. „Určitě to může výuku jednou za čas ozvláštnit. Největší sílu těchto nástrojů vidím v tom, že s nimi pak mohou žáci pracovat sami,“ přiblížila učitelka angličtiny Jitka Pokorná ze ZŠ Mohylová. Starším studentům může umělá inteligence přiblížit výuku prostřednictvím jejich oblíbeného seriálu. Dokáže například vygenerovat cvičení se známými postavami. „Je to o lidech, které znají, materiál je autentický a motivace je výrazně vyšší, než když mechanicky vyplňují cvičení v učebnici,“ sdělila Petra Juna Jennings z ČVUT.
před 6 hhodinami

Bydlení s novým partnerem přináší po padesátce víc štěstí než svatba, ukázal výzkum

Rozsáhlá studie se pokoušela popsat, jak se nové vztahy promítají do duševní pohody stárnoucích lidí. Výsledky ukázaly, že uzavření sňatku přináší seniorům méně štěstí než společné bydlení s novým partnerem.
včera v 10:01

Vědci objevili pět tisíc let zamrzlou bakterii. Odolá desítce moderních antibiotik

Objev bakterie odolné proti celé řadě moderních antibiotik v uzavřeném rumunském ekosystému zamrzlé jeskyně podle vědců vyvolává obavy, aby se tyto vlastnosti nepřenesly na jiné mikroorganismy. Současně ale nabízí naději pro nové léky.
21. 2. 2026

Téměř to skončilo tragédií jako Challenger. NASA popsala problémy Starlineru

Americká vesmírná agentura NASA zkritizovala problémy mise kosmické lodi Starliner, kvůli nimž musela její posádka zůstat na Mezinárodní vesmírné stanici místo plánovaných osmi dní celé tři měsíce.
20. 2. 2026

Výzkum brněnské vědkyně ukazuje, jak zásadní je mezinárodní spolupráce

Tak náročný výzkum, jako je hledání léků proti rakovině, se nedá nikde dělat izolovaně, už jen kvůli tomu, jak drahý je. Proto se stále více vědců spojuje v mezinárodních organizacích. Jednou z nich je platforma canSERV, podporovaná EU, která propojuje vědce s výzkumnými službami a infrastrukturami a která má urychlit objevy a zlepšit péči o pacienty. Podílí se na ní i brněnská vědkyně Pavla Bouchalová.
20. 2. 2026

Mráz ze Sibiře před sedmdesáti lety sevřel Evropu

Únor před sedmdesáti lety přinesl výjimečně chladné teploty. Tehdy sevřel sibiřský mráz většinu Evropy, včetně tuzemska. Chlad, který přišel z ruské části Arktidy, způsobil kontinentu spoustu problémů.
20. 2. 2026
Načítání...