Novákoviny

Že bude letošní Nobelova cena za fyziku mít n?co společného s kvantovou mechanikou, se všeobecně předvídalo, protože jde o jeden z nejperspektivnějších oborů. Ve jménech oceněných se ale prognózy (například ta, s níž přišla informační agentura Thomson Reuters) nestrefily: nobelovský výbor za laureáty pro rok 2012 vyhlásil Serge Harocheho a Davida J. Winelanda. Oba (nezávisle na sobě) pracovali na metodách umožňujících zkoumat jednotlivé částice, manipulovat jimi a přitom zachovat jejich unikátní vlastnosti.

"Haroche a Wieland otevřeli dveře do nové éry experimentů v kvantové fyzice," zdůvodňuje nobelovský výbor svou volbu. "Jejich metody dovolují sledovat kvantové systémy, aniž by je zničily... Mimo jiné to může vést i ke konstrukci mimořádně výkonných kvantových počítačů nebo mnohem přesnějších metod měření času, než jaké máme dnes."

Jak vyzrát na nemrtvou kočku

Chování subatomových částic se úplně liší od toho, co bychom očekávali na základě takzvaného zdravého rozumu. Jsou stejně podivné jako to co našla Alenka v říši za zrcadlem: je to svět, jehož základním pravidlem je skutečnost, že u částice nikdy není možné přesně zjistit polohu a rychlost. Už jen tím, že se o to pokoušíme, totiž některou z těchto vlastností změníme. Říká se tomu princip neurčitosti a zhroucení vlnové funkce.

obr:  Schrödingerova kočka - ani živá, ani mrtvá, dokud se na ní někdo do krabice nepodívá. Na obrázku se její role s úspěchem zhostila Alenčina kočka Šklíba z podivného světa za zrcadlem

Například elektron nebo jiný systém tu může současně existovat v různých, podle zákonů "normální" logiky neslučitelných stavech. Asi jako kdyby automobil současně jel i stál. Teprve když přijdou do kontaktu s vnějším světem, se jeden z těchto stavů zruší: automobil až v tomto okamžiku buď stojí nebo jede.

Pro snazší pochopení bývá uváděn příklad tzv. Schrödingerovy kočky uzavřené v rouře, kde na ní míří pistole ovládaná kvantovými jevy (někteří popularizátoři místo pistole raděj mluví o ampuli s jedem). Dokud pozorovatel rouru neotevře, není zvíře ani živé, ani mrtvé, ale cosi mezi tím - nebo obojí současně.

Haroche a Wineland však na nemrtvou kočku vyzráli. Obrazně řečeno vyvinuli metody, které umožní jí pozorovat, aniž by narušili její soukromí v uzavřené rouře. Nic netušící kočka se tak bude dál nacházet v obou stavech současně - což je nepochybně dost dobrý důvod ji zkoumat.

Nejlesklejší zrcadlo

Řečeno méně populárně (ale pořád ještě velmi zjednodušeně): David Wineland polapil elektricky nabité částice do speciálních pastí, v nichž vládne hluboké vakuum a teploty blízké absolutní nule. Od okolního světa je ještě odclonil elektrickými poli. Přesně vypočítané laserové pulsy pak umožní zjistit jejich stav, aniž by ho ovlivnily.

obr: Letošní laureáti Nobelovy ceny za fyziku, Serge Haroche z Francie a David J. Wineland z USA, byly odměněni za výzkum na poli kvantové fyziky. 

Naproti tomu jeho francouzský kolega Serge Haroche se zaměřil na chytání fotonů. Drží je v malé dutině mezi dvěma zrcadly ze supravodivého materiálu, které představují nejlesklejší známý povrch.

Díky tomu mezi nimi může jediný foton poskakovat velmi dlouho a přesto není pohlcen. Zmizí teprve po přibližně jedné desetině vteřiny, což je dost dlouhá doba pro výzkum. Za tu dobu urazí dráhu odpovídající délce zemského rovníku. Jeho vlastnosti přitom vědec měří vysláním atomu přesně definovaných vlastností (tzv. Rydbergova atomu) do dutiny.

Serge Haroche se narodil roku 1944 v marocké Casablance, která tehdy ještě patřila Francii, v současnosti působí na Pierre-and-Marie-Curie University Collége de France v Paříži, kterou předtím i vystudoval. Je ženatý, má dvě děti.

obr: David J. Wineland ve své laboratoři na NIST. Hlavní oblastí jeho zájmu je zpřesňování metod měření času pomocí atomových hodin

David Jeffrey Wineland se narodil roku 1944 v americkém Milwaukee a vystudoval University of California, Berkeley. Nyní působí v Národním institutu pro standardizaci a technologii (NIST), kde se zabývá optikou v souvislosti s kvantovými jevy a vylepšováním atomových hodin pro velmi přesná měření času. O své práci říká: "Je to fantastická hra, která má ještě ke všemu i smysl."

Zatímco přesnost atomových hodin se týká jen speciálních oborů, kvantové počítače, k nimž oceněné objevy rovněž směřují, by mohly znamenat další revoluci v informatice.

Současné počítačové čipy pracují se dvěma polohami: zapnuto nebo vypnuto (1 nebo 0). To jsou bity - základní jednotky klasické informatiky. Naproti tomu zařízení pracující na principu kvantové mechaniky by počítalo pomocí kvantových bitů (qubitů), které - zjednodušeně řečeno - mají současně hodnotu jedničky i nuly a všeho mezi tím. Kvantové počítače proto teoreticky mohou řešit obrovské množství operací najednou.

S rostoucím počtem qubitů se rozdíl mezi počítáním klasickým a kvantovým dramaticky zvyšuje, takže systém s řádově desítkami qubitů by nahradil miliony procesorů. Odborníci jim proto předpovídají skvělou budoucnost zejména v oblasti šifrování a dešifrování.

To je zatím spíš jen teorie - ale právě výzkum chování částic v kvantových pastech je důležitým krokem k jejímu uvedení do života.

Jan A. Novák

Psáno pro Hospodářské noviny

You have no rights to post comments