Kvantovou mechaniku podpořily hvězdy. Kredit: CC0 Public Domain.

Kvantové provázání, čili entanglement, je na první pohled spíše z říše science-fiction. Spočívá v tom, že páry nebo skupiny částic za jistých okolností tvoří systém, který má jako celek jediný kvantový stav, i když jeho součásti dělí velká vzdálenost. Pro Einsteina to bylo něco jako sci-fi horor a říkal tomu „strašidelné působení na dálku“ (anglicky spooky action at a distance). Kvantový entanglement je dodnes běžnou rekvizitou kvantové mechaniky, která se od svého vzniku musí prát o místo na Slunci, nejspíš vzhledem k tomu, že se často dostává do střetu se „selským rozumem“ a „každodenní zkušeností“.

Zvětšit obrázek

Anton Zeilinger (2011). Kredit: Jaqueline Godany / Austrian Academy of Sciences.

Einstein a další slovutní fyzici proti kvantové mechanice prosazovali princip lokálního realismu, který v sobě kombinuje nepřekročitelnost rychlosti světla s předpokladem, že pro každé možné měření částice vždy už předem musí existovat hodnota, kterou pak odhalí měření. Lokální realismus a kvantovou mechaniku lze prověřit v testech Bellovy nerovnosti, které v roce 1964 navrhl fyzik John Stewart Bell. Takových experimentů už proběhla celá řada a fyzici v nich mnohokrát zjistili, že pozorované částice jsou skutečně kvantově entanglované. Testy Bellovy nerovnosti jsou ale velmi komplikované a obsahují problematické mezery či omezení, dané teoretickými předpoklady, kterým se říká „loopholes“, a které zpochybňují hodnověrnost výsledků testů.

Tým badatelů Massachusettského technologického institutu (MIT), Vídeňské univerzity a dalších institucí pod vedením vídeňského fyzika Antona Zeilingera se zaměřil na jednu ze známých mezer v testech Bellovy nerovnosti, která souvisí se svobodou volby experimentálního uspořádání, tedy „freedom-of-choice loophole“. A vyřešili to převratně. Tento problém spočívá v tom, že vědci sice mají svobodu volby při uspořádání experimentu, ale zároveň mohou existovat nějaké další faktory nebo skryté proměnné, které by mohly být uspořádány tak nešťastně, že výsledky Bellova testu budou vypadat příznivě pro kvantový entanglement, ale přitom to bude jen souhra náhod.

1935: Einstein vede mediální válku proti kvantové mechanice. Kredit: Wikimedia Commons.

Fyzici se snaží řešit tento problém se svobodou volby prostřednictvím extrémně pečlivého uspořádání experimentů. V těchto experimentech vytvářejí pár entanglovaných fotonů z jednoho zdroje, které pak posílají do dvou různých detektorů. V detektorech měří vlastnosti dotyčných fotonů a zjišťují, zda jsou entanglované. Aby badatelé co nejvíce potlačili problém se svobodou volby, používají pro detektory generátory náhodných čísel, které rozhodnou o výběru měřených vlastností fotonů. Stále je ale ve hře nepatrná šance, že nějaké skryté proměnné nebo nekvantové jevy ovlivňují generátory náhodných čísel.

Strašidelné působení na dálku. Kredit: NASA / JPL.

Ve snaze ještě lépe řešit problém se svobodou volby v roce 2014 Alan Kaiser, Andrew Friedman a Jason Gallicchio navrhli experiment, v němž pozemské generátory náhodných čísel nahradí kosmické generátory čísel, založené na zachycených fotonech ze vzdálených astronomických zdrojů, jako jsou hvězdy nebo kvasary. Pokud se při vzniku takových fotonů projevily nějaké skryté proměnné či jevy, tak se to stalo dávno a hodně daleko. A právě tento postup teď poprvé použili v experimentu badatelé MIT, Vídeňské univerzity, a jejich kolegové. Instalovali si zdroj entanglovaných párů fotonů na střechu univerzitní laboratoře ve Vídni a v každém kole experimentu z něj „stříleli“ fotony entanglovaného páru do opačných směrů, k detektorům na střechách několik bloků daleko.

U obou detektorů zároveň nainstalovali teleskopy vybavené extrémně rychlými detektory záření hvězd, z nichž nejbližší byla vzdálená 600 světelných let, které dovedou zachytit fotony z hvězd v časových úsecích kratších než nanosekundy. Vždy pár mikrosekund předtím, než fotony entanglovaného páru dorazily ke svým detektorům, teleskopy u detektorů bleskurychle změřily vlnovou délku právě zachyceného kosmického fotonu z hvězd a určily, jestli je vyšší anebo nižší než předem definovaná vlnová délka. Z takto získaného údaje pak detektory zjistily, kterou veličinu, konkrétně který parametr polarizace experimentálního fotonu mají změřit.

Abychom déle nenapínali, badatelé uskutečnili celkem dva tříminutové experimenty. V každém z těchto experimentů proměřili zhruba 100 tisíc párů entanglovaných fotonů. Výsledky experimentů přesvědčivě ukázaly, že fotony v entanglovaných párech jsou vysoce korelované právě takovým způsobem, který předpovídá kvantová mechanika. Vědci z vídeňských střech pozdravují Einsteina a vzkazují mu, že ve věci lokálního realismu a kvantové mechaniky byl asi vážně mimo.

Video:  Physics@FOM Veldhoven 2016, Anton Zeilinger - Quantum teleportation and entanglement


Literatura
MIT News 6. 2. 2017, Physical Review Letters 118: 06040, arXiv:1611.06985.