Jsou už na dohled kvantové kočky? Kredit: stevewoods69 / deviantart.

Jak jistě každý ví, Schrödingerova kočka, tedy kočka zároveň živá a mrtvá, je nejkrásnějším myšlenkovým experimentem kvantové mechaniky. I když je to vlastně původně posměšná historka, dneska představuje nejznámější model jevu, kterému se říká kvantová superpozice, a při němž se, jednoduše řečeno, dotyčný objekt nachází v několika stavech zároveň. Kvantové superpozice obvykle fungují na úrovni částic, ambiciózní fyzici ale pokukují mnohem dál, až za hranice makrosvěta. Jejich snažení tak trochu připomíná dobývání Divokého západu, v němž nejde o pohádkové naleziště zlata, ale o makroskopické kvantové kočky.

Mark Kasevich. Kredit: Stanford University.

Jak se lze dočíst ve vánočním čísle časopisu Nature, nedávno na kvantovém Divokém západu zabodoval Mark Kasevich ze Stanfordu a jeho spolupracovníci, kterým se podařila kvantová superpozice v rozsahu více než půl metru. Je to průlom, který všem ukázal, že kvantová superpozice je možná v měřítcích blízcích naší každodenní zkušenosti. 

Selský rozum s tím má tak trochu problém, ale částice ve kvantové superpozici mohou být na více místech zároveň. Trvá to až do chvíle, kdy částice vejde do interakce se svým okolím, tedy do okamžiku, kdy otevřeme krabici se Schrödingerovou kočkou a dozvíme se, jestli je živá nebo mrtvá. Kvantové superpozice jsou ve skutečnosti velmi křehké. Jakmile dojde k interakci a něco je vyruší, tak se rozběhne dekoherenci – superpozice zkolabuje do jediného výsledku. Kočka bude buď živá nebo mrtvá a nic mezi tím. Dřívější výzkum potvrdil, že v mikroskopickém měřítku se částice doopravdy chovají jako maličké, mikroskopické Schrödingerovy kočky. Křehkost superpozicí ale až doposud bránila vytváření makroskopických verzí tohoto jevu.

Důvěrně známá Schrödingerova kočka. Kredit: Dhatfield / Wikimedia Commons.

Kasevich a spol. to dokázali a stvořili makroskopickou verzi kvantové superpozicie. Něco jako Schrödingerovu kočku životní velikosti. Experimentovali s oblaky asi stovky tisíc ultrachladných atomů rubidia v takzvaných atomových interferometrech, které pracují s vlněním atomové masy stejným způsobem, jako standardní interferometry s vlněním světla. Oblaky rubidiových atomů proháněli laserovými paprsky uspořádanými do mřížky, přiváděli je do stavu superpozice a zároveň zjišťovali parametry těchto superpozic. V tomto systému se jim podařilo udržet kvantovou superpozici na vzdálenost cca 54 centimetrů, v časové škále kolem 1 sekundy.

Klíčem k makroskopickým superpozicím Kasevichova týmu byla extrémně nízká teplota – méně než jednu miliardtinu stupně nad absolutní nulu, a společně s ní velmi opatrné používání světla, které by mohlo experimentální systém narušit a odstartovat dekoherenci. Badatelé nehodlají usnout na vavřínech a doufají, že v příštích letech pokoří desetimetrovou hranici rozsahu kvantové superpozice. Posouvání hranice světa kvantových zázraků je přinejmenším velmi zábavné, také by ale mohlo vést k naprosto zásadním zvratům v celé fyzice. Někde na této hranici se totiž možná povaluje velmi usilovně hledané propojení obecné relativity a kvantové mechaniky. Kasevich zdůrazňuje, že sice dovedou vytvořit superpozice pro oblaky atomů, s kočkami a podobnými objekty to ale jen tak nepůjde. I když, ve vědě nikdy neříkej nikdy, zvlášť pokud jde kvantovou mechaniku.


Video:  Mark Kasevich Technology Transfer Program

Literatura
Live Science 23. 12. 2015, Nature News 23. 12. 2015, Nature 528: 530-533.