Kvantová fyzika vysvětlena: superpozice, provázání a tanec částic

Od nejmenších stavebních kamenů vesmíru až po nejmodernější technologie je kvantový svět plný záhad, které zpochybňují a znovu definují naše chápání vědy a techniky. Kvanta však nejsou jen abstraktní pojmy uzavřené ve fyzikálních laboratořích – již dnes hrají zásadní roli v našem každodenním životě.

Připojte se k nám a objevte, jak subatomární částice tvoří samotnou strukturu našeho vesmíru a jak kvantové technologie mění oblasti, jako jsou komunikace, senzorika, výpočetní technika či medicína – a další průlomové aplikace jsou již na obzoru.

Kočky a radioaktivita: Kvantová fyzika a její překvapivé každodenní souvislosti

Kvantová fyzika je oborem moderní fyziky, který zkoumá zvláštní a často neintuitivní chování těch nejmenších částic, jako jsou atomy, elektrony a fotony. Popisováním procesů a stavů na atomární a subatomární úrovni otevírá dveře možnostem, které daleko přesahují to, co zažíváme v běžném životě.

Jedním z nejznámějších příkladů složité povahy kvantové fyziky je myšlenkový experiment známý jako Schrödingerova kočka (viz obr. 1). V tomto hypotetickém scénáři je kočka umístěna do uzavřené krabice spolu s ampulí jedu, radioaktivní látkou, kladivem a Geigerovým počítačem. Rozpadne-li se radioaktivní atom – a spustí kladivo, které ampuli rozbije – je zcela nepředvídatelné. Podle kvantové teorie je kočka až do otevření krabice a pozorování systému současně živá i mrtvá. Tento paradox ilustruje princip kvantové superpozice, kdy kvantový systém může existovat v několika stavech současně, dokud není změřen nebo pozorován.

Obr. 1: Myšlenkový experiment Schrödingerovy kočky.

Ačkoli to může znít abstraktně, vliv kvantové fyziky je všude kolem nás. Od plateb v supermarketu, přes navigaci pomocí GPS, komunikaci mobilním telefonem až po streamování oblíbených pořadů – mnoho každodenních technologií se přímo opírá o principy kvantové fyziky. To nás přivádí k zajímavé otázce:

Co jsou kvanta?

Kvanta jsou základní stavební kameny reality – malé kvantové objekty, jako jsou elektrony, fotony a za určitých podmínek dokonce i celé atomy. Mají unikátní vlastnost: mohou se chovat jak jako diskrétní částice, tak jako šířící se vlny. Tento jev se nazývá vlno–částicový dualismus. Slavně jej demonstruje dvouštěrbinový experiment.

Obr. 2: Dvouštěrbinový experiment.

V tomto experimentu jsou jednotlivé fotony vysílány na neprůchodnou desku se dvěma úzkými štěrbinami (viz obr. 2). Přestože jsou fotony vysílány po jednom a dopadají jako malé tečky (projev jejich částicové povahy), současně se chovají jako vlny a procházejí oběma štěrbinami najednou. Na projekčním stínítku se časem vytvoří interferenční obrazec střídajících se světlých a tmavých pruhů – což může vzniknout jen u vln. Tento pozoruhodný výsledek je možný pouze proto, že fotony – a vlastně všechny kvantové částice – vykazují jak částicové, tak vlnové vlastnosti.

Vlastnosti kvantové mechaniky

Další principy kvant, které nám pomáhají lépe porozumět podstatě hmoty a tvoří základ dnešních pokročilých kvantových technologií, jsou superpozice, kvantové provázání a kvantový tunelový jev.

Superpozice: Překrývání kvantových stavů

Pokud se na kvanta díváme jako na matematicky popsané vlny, mají více než jedno řešení. V kvantové mechanice se tato řešení označují jako vlastní funkce vlnové funkce, které mohou popisovat různé stavy systému. Vlnová funkce, tedy matematický popis hmotové vlny, je kombinací několika lineárně zkombinovaných základních stavů. To znamená, že kvantový objekt může existovat v několika stavech současně nebo vlastnit více vlastností zároveň (viz obr. 3).

Obr. 3: Schéma ukazující princip superpozice. Foton existuje ve stavech 1 a 2 současně.

Známým příkladem superpozice je chování fotonů v dvouštěrbinovém experimentu (viz obr. 2), kdy jediný foton prochází oběma štěrbinami současně. V tomto případě foton skutečně existuje ve dvou stavech najednou.

Superpozice hraje klíčovou roli v moderních technologiích. V pokročilých měřicích systémech se využívá ke zvýšení přesnosti a citlivosti přístrojů. V kvantovém výpočetnictví umožňuje paralelní zpracování a přenos velkého množství informací. Protože kvantové bity (qubity) mohou existovat ve více stavech současně, dokážou kvantové počítače zpracovávat obrovské objemy dat paralelně. Tato schopnost dramaticky zvyšuje výkon a umožňuje strojům provádět složité algoritmy mnohem efektivněji než klasické počítače.

Neviditelná pouta: Kvantové provázání

Kvantové provázání popisuje zvláštní a silné spojení mezi kvantovými objekty, které přetrvává i na velké vzdálenosti. Když jsou dvě částice – například fotony nebo elektrony – provázané, jejich stavy jsou propojené tak, že stav jedné okamžitě určuje stav druhé, bez ohledu na to, jak daleko od sebe se nacházejí.

Jak je znázorněno v horní části obr. 4, stav dvou provázaných fotonů lze popsat pouze jako kombinovaný systém. Každá částice má 50% pravděpodobnost, že bude ve stavu 1 nebo 2, ale jakmile je určen stav první částice, stav druhé je okamžitě znám.

Obr. 4: Princip kvantového provázání.

Kvantové provázání tvoří základ kvantové komunikace a hraje zásadní roli při zajištění bezpečnosti přenosu kvantových informací. Když jsou fotony použity k přenosu dat, provázání umožňuje zjistit, zda byla informace zachycena nebo pozměněna. Jakýkoli pokus o pozorování nebo kopírování kvantového stavu zanechává nezaměnitelné stopy, které odhalují měřicí chyby i pokusy o odposlech.

Kvantový tunelový jev: Když kvanta pronikají bariérami

Kvantový tunelový jev popisuje schopnost kvantových částic pronikat bariérami, které by podle klasické fyziky neměly mít dostatek energie překonat. Když se kvantová vlna setká s překážkou (viz obr. 5), její amplituda klesá, ale nikdy zcela nezmizí. To znamená, že zůstává nenulová pravděpodobnost detekovat částici i na druhé straně bariéry – přestože podle klasické fyziky by to mělo být nemožné.

Obr. 5: Schéma kvantového tunelového jevu

Tato pozoruhodná vlastnost se využívá v zobrazovacích technologiích. Významným příkladem je rastrovací tunelová mikroskopie (STM). V STM je mezi ultrajemnou sondou a zkoumaným povrchem aplikováno napětí. Přestože je vzdálenost podle klasické fyziky příliš velká na to, aby elektrony překonaly mezeru, tunelový jev jim to umožňuje a vzniká měřitelný proud. Tento proud vědcům umožňuje pozorovat a zobrazovat jednotlivé atomární struktury s mimořádnou přesností.

Milníky kvantových technologií

Vývoj kvantových technologií je pozoruhodnou vědeckou cestou, která začala na počátku 20. století. Během této doby dvě odlišné „kvantové revoluce“ zásadně formovaly vývoj moderních technologií.

Kvantum 1.0 – První kvantová revoluce

První revoluce, známá jako Kvantum 1.0, položila základy našeho chápání kvantových jevů, které již byly pozorovány, ale ještě ne plně vysvětleny. Výzkum se soustředil na zkoumání složitého chování světla a hmoty na atomárních a subatomárních měřítkách. Tyto objevy vedly k průlomovým inovacím, které formují náš každodenní život dodnes – vynález laseru, LED diod, GPS, polovodičů a mnoha dalších technologií.

Kvantum 2.0 – Budoucnost kvantových technologií

Dnes jsme uprostřed druhé kvantové revoluce – Kvantum 2.0. Tato nová éra už není jen o pochopení kvantové mechaniky, ale o řízení a precizním inženýrství kvantových systémů. Vědci dnes dokážou manipulovat s frekvencemi oscilace jednotlivých kvantových objektů, aby vyvinuli ultrapřesné přístroje a škálovatelný kvantový hardware. Zejména systémy založené na supravodivých obvodech se staly vedoucí platformou pro stavbu kvantových strojů nové generace.

Kvantové technologie umožňují řídit, manipulovat a měřit stavy a interakce jednotlivých kvantových částic, čímž otevírají dveře zcela novým zařízením a systémům postaveným na principech kvantové mechaniky.

Klíčové vývoje druhé revoluce zahrnují atomové hodiny, kvantové gravimetry, kvantové počítače a kvantové magnetometry. Tyto inovace slibují nejen technologické průlomy, ale také dalekosáhlé dopady napříč téměř všemi oblastmi společnosti.

Kvantová fyzika v praxi: aplikace dnes a zítra

Díky významným celosvětovým investicím už kvantová technologie není čistě teoretickým oborem – začíná pronikat na trh. Moderní laserové systémy, kvantové procesory a vysoce citlivé kvantové mikroskopy patří k první vlně komercializovaných kvantových technologií. Tento rychlý rozvoj se odráží v rostoucím počtu patentů, vědeckých publikací a praktických aplikací vznikajících v laboratořích po celém světě. Zvláštní pozornost je věnována kvantovému výpočetnictví, kde je klíčový vývoj efektivních algoritmů a stabilních architektur qubitů. Kvantové stroje založené na supravodivém hardwaru nebo uvězněných iontech již v experimentálním prostředí vykazují pozoruhodný výkon. Schopnost psát a optimalizovat kvantový kód se stane stále cennější dovedností pro inženýry i fyziky.

Kvantové technologie také slibují transformační řešení pro mnoho dnešních naléhavých výzev. V budoucnu by pokročilé kvantové senzory mohly poskytovat dřívější a přesnější varování před přírodními katastrofami díky vysoce přesným environmentálním datům. V medicíně už kvantové technologie přinášejí průlomy v diagnostice, umožňující spolehlivější a včasnější detekci nemocí, jako je Alzheimerova či Parkinsonova choroba. Otevírají také fascinující možnosti, například protézy ovládané myslí, což nabízí novou naději pro zlepšení kvality života lidí s tělesným postižením.

Automobilový průmysl je další oblastí, která má z těchto technologií profitovat, zejména při vývoji autonomního řízení. Kvantové počítače již dnes dokážou analyzovat složité prostředí a rozhodovací scénáře rychleji a efektivněji než lidé.

Kvanta a fotonika

Od superpozice a provázání až po kvantový tunelový jev nám kvanta odhalují skryté zákony přírody a otevírají obrovské nové obzory pro budoucí technologie. Tento úvod do základů kvantové fyziky připravuje půdu pro hlubší zkoumání spojení mezi kvanty a fotonikou. Ve druhé části této série se podíváme na to, jak tato syntéza pohání inovace v komunikaci, senzorice a informačních technologiích. Sledujte nás pro nejnovější vývoj, který může proměnit celá odvětví a znovu definovat hranice lidských možností.

Zdroje

• Neugebauer, R.: Quantentechnologien (Fraunhofer ZV), München 2022
• Kagermann, H./Süssenguth, F./Körner, J./Liepold, A.: Innovationspotenziale der Quantentechnologien der zweiten Generation (acatech IMPULS), München 2020
• Konzeptpapier der Nationalen Initiative zur Förderung der Quantentechnologie von Grundlagen bis Anwendungen (QUTEGA): QUANTENTECHNOLOGIE Grundlagen und Anwendungen, 2017
• Photonics@Quantum: Technologies for Quantum Systems (Marktreport SPECTARIS und Messe München), Berlin/München 2022
• Dowling J P./Milburn G. J.: Quantum technology: the second quantum revolution; the royal society, In: Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences Vol. 361, No. 1809, Information, Knowledge and Technology (Aug. 15, 2003), pp. 1655-1674