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.
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.
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.
