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

Hradby Pompejí zřejmě poškodila palba z těžkého antického kulometu polybolu

Italští archeologové detailně prozkoumali díry v severní části pompejských hradeb. Zjistili, že je nezpůsobily katapulty ani ruční zbraně, ale mechanický samostříl schopný automaticky odpalovat více střel po sobě.
před 9 hhodinami

USA zažívají vlnu veder. V Arizoně naměřili 43 stupňů

Západ Spojených států se potýká s vlnou veder, v Kalifornii a Arizoně padají teplotní rekordy. Arizonská obec Martinez Lake ve čtvrtek naměřila 43 stupňů Celsia, což je ve Spojených státech nový březnový rekord, uvedla podle stanice NBC News Národní meteorologická služba (NWS).
před 15 hhodinami

Alpské ledovce se roztékají před očima. Ty v Německu zřejmě zmizí do třicátých let

Poslední čtyři německé ledovce za poslední dva roky ztratily více než čtvrtinu své plochy, odtávání je tak výrazně rychlejší, než se dosud předpokládalo. Uvádí to nová studie, která za hlavní příčinu považuje změnu klimatu. Geograf Wilfried Hagg z mnichovské univerzity a glaciolog Christoph Mayer z Bavorské akademie věd výsledky svého výzkumu zveřejnili v předvečer Světového dne ledovců, který je 21. března.
před 15 hhodinami

Chytré hodinky sportujícího vojáka odhalily polohu francouzské letadlové lodě

Díky sportovní aplikaci Strava, kterou používal jeden z vojáků při běhání, se francouzskému deníku Le Monde podařilo ve Středozemním moři lokalizovat francouzskou letadlovou loď Charles de Gaulle. Le Monde o tom informoval na svém webu. Plavidlo se přibližuje k Íránu, proti němuž od 28. února provádějí Izrael a Spojené státy vzdušné údery.
před 16 hhodinami

Do ugandského národního parku se po dekádách vrátili nosorožci

Tento týden byli v národním parku Kidepo Valley na severovýchodě Ugandy vypuštěni do volné přírody dva bílí nosorožci jižní. Jsou prvními ze skupiny osmi jedinců, kteří se mají usadit v parku, kde byl poslední nosorožec zabit v roce 1983. Na jejich navrácení do místní přírody nyní částečně dohlíží Ugandský úřad pro ochranu divoké zvěře (UWA).
19. 3. 2026

Vědci popsali, kdy se mezi indiány rozšířily luky a šípy

Nový archeologický výzkum zkoumal nejstarší zbraňové artefakty nalezené v Severní Americe. Vědcům se je podařilo velmi přesně datovat, takže poprvé dokázali popsat, kdy tam luky a šípy nahradily oštěpy a praky.
19. 3. 2026

Archeologové našli ve Velkém Meziříčí středověkou studnu a asi i základ pranýře

Ve středu Velkého Meziříčí letos archeologové odkryli zasypanou středověkou studnu a kruhový podstavec, který zřejmě sloužil jako pranýř. Našli také základy středověké pece. Oznámil to Šimon Kochan ze zapsaného ústavu Archaia Brno, který na místě pracuje. Záchranný archeologický výzkum doprovází postupnou obnovu náměstí a přilehlých ulic, která začala loni zjara. Stavební práce budou podle radnice dokončené příští rok.
19. 3. 2026

VideoUnikátním ekosystémem Pražského hradu se zabývali přírodovědci

Pražský hrad byl sídlem králů, císařů i prezidentů. Ale také více než sedmi stovek druhů rostlin, 220 druhů hmyzu a více než čtyřiceti druhů ptáků. Teď tam přírodovědci popsali dokonce několik druhů, které až doposud z tuzemské přírody vůbec neznali – včetně unikátního roztoče pancířníka. Nejzajímavějším místem v areálu je podle biologů Jelení příkop, který obsahuje neporušenou „krajinu“, jež sahá až do dob mamutích stepí z doby ledové.
19. 3. 2026
Načítání...