Co je kvantové provázání?
Dvě provázané částice mohou být velmi daleko od sebe, a přesto je popisujeme společným kvantovým stavem. Výsledky jejich měření spolu souvisejí způsobem, který odporuje běžné zkušenosti. Samotná vzdálenost podle kvantové teorie tuto souvislost neruší.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Jedna dvojice, společný kvantový stav
Představme si dva fotony, tedy částice světla, které vznikly ve vhodně připraveném společném procesu. Jeden pošleme k prvnímu pozorovateli, druhý k druhému. Provázání znamená, že pro popis jejich vzájemného vztahu potřebujeme společný kvantový stav.
U zvolené dvojice nastavíme oba měřicí přístroje stejně. Každý přístroj může ukázat výsledek 0 nebo 1. Na každé straně je výsledek náhodný, ale při porovnání odpovídajících dvojic se v ideálním pokusu výsledky vždy shodují: buď oba naměří 0, nebo oba 1. Tomu odpovídá obrázek nahoře.
Jakmile tedy známe výsledek na jedné straně, můžeme určit i výsledek odpovídajícího měření na druhé. Podstatné je, že tuto vazbu kvantová teorie zachovává i při obrovském oddálení částic.
Co když je od sebe dělí milion světelných let?
Myšlenkově nyní odsuňme oba pozorovatele tak daleko, že by mezi nimi světlo letělo milion let. Pokud by se podařilo provázanou dvojici dopravit a její provázání uchovat, kvantová teorie předpovídá stejnou souvislost výsledků jako v laboratoři. Vzdálenost sama o sobě nemá stanovenou horní mez, za kterou by provázání přestalo platit.
Z výsledku prvního měření můžeme ihned vyvodit výsledek odpovídajícího měření druhé částice. Souvislost má platit i tehdy, když by mezi oběma měřeními světelný signál vůbec nestihl přeběhnout. Právě to je na provázání tak překvapivé.
Milion světelných let je zde myšlenkový příklad. V reálném pokusu je obtížné částice dopravit, zachytit a chránit jejich stav před rušivými interakcemi s okolím.
Co ukázaly skutečné experimenty
Samotnou shodu dvou výsledků lze zařídit i předem. Fyzici proto zkoumají mnoho dvojic a střídají různá nastavení přístrojů. Při nezávislé volbě nastavení odhalují takzvané Bellovy testy překvapivý výsledek: naměřené souvislosti jsou silnější, než dovoluje vysvětlení pomocí společné předchozí přípravy a odpovědí závisejících jen na místním nastavení přístroje. Právě tím provázání přesahuje obyčejnou dohodu před odesláním částic.
Provázání se podařilo ověřit i na velkou vzdálenost. V roce 2017 vědci pomocí družice Micius rozeslali provázané fotony ke dvěma pozemním stanicím vzdáleným 1 203 km od sebe. Měření potvrdila, že provázání fotonů zůstalo zachováno i mezi takto vzdálenými stanicemi.
Souvislost výsledků a odeslání zprávy
Pro odeslání zprávy bychom museli zvolit, zda druhá strana obdrží například 0, nebo 1. Výsledek vlastního měření je však náhodný. Vzdálený pozorovatel proto ve svém přístroji vidí náhodnou řadu výsledků, ze které žádnou zprávu nepřečte.
Aby oba pozorovatelé souvislost ověřili, musí své záznamy porovnat běžným komunikačním kanálem. Ten je omezen rychlostí světla; v našem myšlenkovém příkladu by zpráva cestovala milion let. Společný kvantový stav a přenos čitelné zprávy jsou dvě různé věci.
Provázání dnes využíváme při vývoji kvantových sítí, některých výpočetních postupů a citlivých měřicích metod. Na jeho základní stavební kameny navazují témata o superpozici a měření a vlnové funkci.
Myšlenkový příklad dvou pozorovatelů vzdálených milion světelných let se zachovanou provázanou dvojicí. Pro zvolené shodné měření jsou místní výsledky náhodné, ale odpovídající dvojice spolu souvisejí. Porovnání záznamů vyžaduje běžnou zprávu, která v tomto idealizovaném příkladu cestuje nejméně milion let. Nejde o uskutečněný experiment ani o ovladatelnou nadsvětelnou komunikaci.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Dvě částice mohou tvořit společný kvantový stav i na obrovskou vzdálenost. Souvislost jejich měření podle teorie nečeká na přelet světelného signálu; ověřit ji porovnáním záznamů však vyžaduje běžnou komunikaci.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)