Lidstvo poprvé pohlédlo na jev, který umožňuje teleportaci a říká, že jsou všichni a všechno propojené

Pravidla chování částic, jako jsou elektrony, které společně s neutrony a protony tvoří atomy, se snažil popsat tehdy nově vznikající obor kvantové fyziky. Některé její předpovědi ale budily u vědců, jakým byl Einstein, silný odpor. Symbolem tohoto sporu se staly právě dopisy Einsteina se Schrödingerem.

O necelé půlstoletí později se ale fyzikům podařilo dokázat, že "děsivé" působení na dálku je jedním ze základních pilířů chování částic mikrosvěta. Později se navíc podařilo experimentálně prokázat, že zmíněná "komunikace" nefunguje jen napříč prostorem, ale i časem. Částice v budoucnosti dokáže zdánlivě ovlivnit minulost. A v půli letošního července přišel další triumf, kvantové provázání částic se podařilo vůbec poprvé vyfotografovat. Úspěch si připsali vědci z Univerzity v Glasgow.

Je to tak letos už druhá fotografie, která by Einsteina příliš nepotěšila. Stejně jako odmítal přijmout existenci objektu, jakým je černá díra, jejíž první fotografie byla zveřejněna letos v dubnu, pokládal za děsivé kvantové provázání a jeho důsledky. Jak u černé díry, tak u působení částic na dálku byl přesvědčený, že jde jen o ukázku chyby či neúplnosti teorie. Mýlil se.

Kvantové provázání má dnes už dokonce praktické využití například při konstrukci kvantových počítačů, což jsou výkonné stroje v principu schopné prolomit například šifru v řádu minut, zatímco běžnému počítači by to trvalo staletí. Díky provázání ale vědci experimentují i s teleportací.

Zákony platící ve světě malých rozměrů jsou zcela mimo lidskou intuici. Elektron může být v různých stavech zároveň - vědci říkají, že je v takzvané superpozici.

Příkladem je vlastnost, které se říká spin. Neexistuje způsob, jak tuto vlastnost popsat analogií v našem světě. Proto se vědci při vysvětlování problému široké veřejnosti často uchylují k sice značně nepřesné, ale zato pochopitelné představě rotace. Každý elektron tedy rotuje, a to po směru hodinových ručiček nebo proti směru − spin tak nabývá dvou hodnot. Avšak vzhledem k tomu, že je elektron přirozeně v superpozici, rotuje oběma směry zároveň.

Když vzniknou společně dva elektrony, oba se drží dalšího fyzikálního zákona, podle něhož jeden z nich musí rotovat po směru a druhý proti směru. Zároveň i zde platí princip superpozice. Elektrony jsou tedy provázané, chování jednoho záleží na chování druhého.

Superpozice je ale zároveň snadno narušitelná. Pokud se člověk rozhodne na elektron podívat, musí k němu například pomocí laserového zařízení vyslat foton, což je částice světla. Foton se od elektronu odrazí a přinese o něm výzkumníkovi informaci. Foton s elektronem interaguje. V okamžiku nárazu fotonu se elektron musí rozhodnout, kterým směrem bude rotovat. Pravděpodobnost, že se částice začne pohybovat po směru i proti směru je stejná, padesát na padesát.

Nyní přichází to, co Einsteina děsilo. Vědec třeba vezme dva provázané elektrony − jeden z nich umístí na dno Mariánského příkopu a druhý do laboratoře. Když se následně rozhodne na částici v laboratoři podívat, stane se na dně oceánu něco zvláštního. Výzkumník vyslal k elektronu v laboratoři foton a ten do něj narazí. V tu chvíli si elektron musí zvolit směr pohybu. Řekněme, že začne rotovat po směru hodinových ručiček − takovou informaci následně přinese odražený foton výzkumníkovi.

Pokud ale výzkumník změří elektron na dně příkopu, zjistí že ten rotuje proti směru hodinových ručiček, přesně opačně než měřená částice v laboratoři. Oba elektrony jsou totiž provázané, vždy musí mít opačný spin, rotovat v opačném směru, dodržet zmiňovaný zákon.

Vzhledem k tomu, že vesmír byl při svém vzniku nesmírně malý a řídil se zákony kvantové fyziky, jsou dnes všechny částice vesmíru nějakým způsobem provázány. Částice, které utváří lidský mozek, cihlu domu nebo volant automobilu, tak mohou být provázány například s hvězdou vzdálenou miliardy světelných let. V tomto smyslu žijeme v "telepatickém" vesmíru.¹

Einstein uváděl kvantové provázání jako příklad, proč kvantová teorie musí být chybná či nekompletní. 

Ilustrace: Jindřich Janíček

Kvantové provázání se poprvé podařilo experimentálně dokázat v roce 1982. Francouzský fyzik Alain Aspect a jeho kolegové vytvořili pomocí laserů provázaný pár fotonů a poslali každý z nich ve stejný okamžik do jiného detektoru. Oba přístroje byly vzdálené 13 metrů. Když změřili polarizaci fotonu, což je vlastnost spojená se spinem, v jednom detektoru, ovlivnilo to foton v druhém zařízení. Odehrálo se to v čase kratším než 10 nanosekund, světlo by ale k překonání dané vzdálenosti potřebovalo čtyřikrát více času. Kvantové provázání bylo ověřeno. Podobné experimenty se stejnými výsledky následovaly.

Teprve letos v červenci ale vědci Glasgowské univerzity oznámili, že dokázali pořídit i fotografii kvantově provázaných fotonů. Podobně jako 37 let před nimi Alain Aspect vytvořil tým vědců vedený Paulem-Antoinem Moreauem pár provázaných fotonů a vyslal je na cestu speciálním zařízením. Každý foton z páru ale cestoval jiným směrem.

Když jeden z nich dorazil k takzvanému filtru, změnila se jeho fáze, což je jedna z vlastností fotonů. Zároveň byla ale velmi výkonným zařízením pořízena fotografie tohoto fotonu. V tu samou chvíli dorazil ke speciálnímu fotoaparátu i druhý foton. Jeho snímek ukazuje, že se rovněž změnila jeho fáze, byť on sám žádným filtrem neprošel. Jinak řečeno, pořízené snímky demonstrují existenci kvantového provázání.

Samotný výzkum kvantového provázání má dopad na vývoj kvantových počítačů, které by se bez něj neobešly. U klasického počítače jsou jednotkou informace bity, které nabývají hodnoty 1, nebo 0. U kvantového počítače jsou základními jednotkami qubity, které se ale řídí již popisovanými zvláštnostmi kvantového světa. Jsou v superpozicích, tedy nabývají hodnot 0 i 1 zároveň. Navíc jsou jednotlivé qubity kvantově provázané, tedy exponenciálně roste množství informací, které jsou schopné simultánně nést. Co to znamená?

Když klasický počítač hraje šachy, prochází všechny možné kombinace postupně. Pokud tak chce vidět pouhé tři tahy dopředu, musí projít devět milionů možných šachových partií. Kvantový počítač ale prochází všechny partie v jednotlivých tazích najednou. Tedy místo devíti milionů úkonů mu stačí udělat tři. V současnosti nejvýkonnější kvantové počítače pracují přibližně s 50 qubity. Pro představu, pět qubitů odpovídá výkonností smartphonu, 20 stolnímu počítači a 50 už superpočítači. Hranice 50 qubitů se podařilo dosáhnout v roce 2017.

Kvantové provázání umožňuje ještě jednu věc dříve představitelnou pouze ve fantazii − teleportaci. Zásadní problém s teleportací tkví v jedné nepříjemné zákonitosti mikrosvěta. Nikdy není možné o částici zjistit všechny informace. Jde o princip neurčitosti. Když se chce výzkumník podívat na elektron, vyšle k němu foton. Ten se odrazí a přinese mu o něm informace.

Bohužel při interakci foton samotný elektron ovlivní − například jeho polohu. Člověk tak v principu nedokáže nikdy zjistit všechny informace o daném elektronu. A pokud to není možné, nelze teleportovat elektron, a už vůbec ne člověka. Kvantové provázání ale problém řeší.

První experimenty s teleportací úspěšně probíhají od roku 1997, kdy s ní uspěla Innsbrucká univerzita. Princip teleportace spočívá ve využití dvou provázaných částic. První, jež se má teleportovat, zůstává v laboratoři A. Druhá se pošle do laboratoře B. Výzkumník obě částice pomocí fotonu změří, podívá se na ně. Foton mu ale donese jen část informací, protože svou interakcí s částicemi je ovlivní.

Následně vědec odešle hodnoty měření v laboratoři A do laboratoře B. Částice v laboratoři B zná díky provázanosti zbývající informace o teleportované částici z laboratoře A. Výzkumníci tak mají kompletní informace k sestavení dokonalé kopie.

Taková teleportace má ale svá omezení. Nelze teleportovat rychlostí přesahující rychlost světla, protože informace o měření v laboratoři A nemohou být poslány jinak než tradičním kanálem, například optickým kabelem nebo laserovým impulzem.

Druhý problém je v tom, že v současnosti lze prakticky "teleportovat" maximálně molekuly. K teleportaci člověka by bylo nutné přenést velké množství informací, je jich třeba o devět řádů více než pro sestavení dvojrozměrného televizního obrazu.

Pokud by vědci chtěli teleportovat člověka světelnou rychlostí a technologie by někdy něco takového vůbec umožnily, museli by informace vměstnat do paprsku světla s vysokou frekvencí. A čím vyšší frekvenci paprsek má, tím je třeba více energie k jeho vytvoření. Poslat člověka rychlostí světla teleportem by si vyžádalo energii srovnatelnou s veškerou energií v malé galaxii. Navíc tu vyvstává filozofická otázka, zda by to byl pořád on, neboť na druhé straně portu by se objevila sice jeho dokonale přesná kopie, jeho původní tělo by ale bylo zničeno. A to je třetí omezení teleportace, ve skutečnosti kvantové provázání umožňuje teleportovat pouze kompletní informace k tomu, aby bylo možné vytvořit kopii, nedokáže ale teleportovat fyzické předměty samy o sobě. Tedy nelze teleportovat fyzicky částice, molekuly nebo složitější systémy, ale informace o nich, na jejichž základě lze vytvořit kopie.

V každém případě teleportace je nyní ve vědě hitem, v roce 2017 už se podařilo teleportovat částice ze Země na oběžnou dráhu a vyvíjí se technologie, které nabízí teleportaci stále větších systémů. Takové technologie najdou své místo v šifrování, rozvoji internetových sítí, ale i již zmiňovaných kvantových počítačích.

Navíc je tu ještě jedna novinka, která by mohla kvantové počítače i teleportaci povýšit o třídu výš. Slibně se jeví experimenty v posledních deseti letech, které ukazují, že kvantové provázání nefunguje jen napříč prostorem, ale i časem. V roce 2013 se poprvé podařilo vědcům z Hebrejské univerzity v Jeruzalémě experimentálně prokázat kvantové provázání mezi částicemi, které nikdy nekoexistovaly ve stejném čase. Nikdy se nepotkaly.

Kvantové provázání napříč časem by Einstein musel považovat za šílenství na druhou. Klíč k pochopení této časové spletitosti leží v tom, že čas, tak, jak jej vnímají lidé, neexistuje. Když Galileo Galilei sestavil kyvadlové hodiny, inspirovalo jej alespoň podle rozšířené historky kmitání lustru v katedrále v Pise. To, že kmity trvají vždy stejnou dobu, naměřil podle svého tepu.

Dnes ale lékaři měří tep dle hodinek. Je to jako v kruhu. Přímo čas nikdy nikdo nezměřil ani nezměří. Neexistuje univerzální hodinář. Věci se mění jen vůči sobě. A to by mělo být i vysvětlení kvantové provázanosti v čase. Ve světě mikrosvěta nelze události poskládat do posloupnosti na sebe navazujících okamžiků.

Praktické využití tohoto faktu se nabízí například u časových schránek, kdy by mělo být možné zapečetit zprávu pomocí kvantového provázání tak, aby ji bylo možné otevřít až v přesně daný okamžik.

* Tato myšlenka je použita v populárně naučné knize Quantum Theory Cannot Hurt You: A Guide to the Universe napsané Marcusem Chownem, absolventem Caltechu, kde studoval pod vedením Richarda Feynmana. Zpět