Stalo se zvykem na konci roku bilancovat. Možná, že by takové bilancování vyšlo lépe třeba v létě, kdy svítí sluníčko a všechno vypadá optimističtěji, na druhé straně se však tradice nemají měnit. Takže jak to bylo v roce 2015 s fyzikou? Sešla se rada moudrých a sestavila „top-ten“. Možná, že jiná rada by zvolila trochu jiné pořadí, ale všichni se shodují v tom, že fyzika proniká stále hlouběji do mikrosvěta, do stále větších dálek makrosvěta a získané poznatky se snaží uplatňovat v různých oborech běžného života. Tady s převahou vedou kvantové počítače a lékařství.

Kvantová teleportace nově

Na prvním místě žebříčku top-ten, který sestavili britští fyzici, se umístili Číňané. Poprvé se jim totiž podařila simultánní kvantová teleportace dvou nezávislých vlastností fotonu. A co je na tom tak pozoruhodného?

Myšlenka teleportace už dlouho dráždí vědce i zainteresovanou veřejnost. Ale až v roce 1993 mezinárodní tým fyziků teoreticky prokázal, že je teleportace kvantového stavu možná. Kvantová teleportace využívá jevu kvantového provázání (entanglement), díky němuž mohou kvantové částice sdílet vazbu napříč prostorem. Kvantové provázání lze jednoduše ilustrovat na dvou fotonech s navzájem závislými polarizačními stavy (směry kmitání vlny). Z jednoho fotonu s určitou vlnovou délkou je možno jeho průchodem speciálním krystalem získat dva fotony s nižšími vlnovými délkami a navzájem kolmými směry polarizace. Tyto fotony jsou provázané, takže se směry polarizace zachovávají, i když jsou částice vzdáleny tak, že se teoreticky nacházejí třeba v jiných galaxiích. Změřením stavu jedné částice se stav provázání obou fotonů zruší a dále se chovají jako částice zcela nezávislé. Úspěšná teleportace kvantového stavu znamená přenos informace na určitou vzdálenost a následné vytvoření dokonalé kopie původního stavu. Protože ale kvantová mechanika nedovoluje vytváření kopie kvantových stavů, musí být kvantový stav přenesen z jedné částice na druhou tak, že se původní částice už v tomto stavu nenachází. Jinými slovy, úplný a dokonalý přenos je dokončen, když první částice ztratí všechny vlastnosti, které se přenesou na druhou částici.

První experimentální teleportace spinu fotonu se povedla v roce 1997 a od té doby se podařilo přenést všechny základní stavy částice. K praktickému využívání tohoto jevu by však bylo potřeba přenášet více stavových charakteristik, protože i stav obyčejného fotonu je určen mnoha parametry, jako je frekvence, hybnost, spin, úhlový orbitální moment a další. Teleportace více než jednoho stavu současně je základní podmínkou pro teleportaci většího souboru.

Čínským fyzikům se počátkem letošního roku podařilo přenést současně spin fotonu (polarizaci) a jeho orbitální úhlový moment na jiný vzdálený provázaný foton. Přenesení dvou vlastností vyžaduje nejen soubor provázaných částic (kvantový kanál), ale „hyperentanglovaný soubor“, v němž jsou dvě částice současně provázány spinem i orbitálním úhlovým momentem. Jakákoliv změna, provedená na kterékoliv částici, okamžitě ovlivní ostatní. I když je možno metodu rozšířit na teleportování více než dvou vlastností, každé rozšíření je extrémně obtížné, takže předpokládaný limit jsou tři. Aby se to povedlo, bude nutno experimentálně zvládnout ovládání deseti fotonů, zatímco současný rekord je osm. Tým usilovně pracuje na tom, aby se tento limit zvýšil, a doufá, že se jim během několika měsíců podaří dosáhnout desítky provázaných fotonů. Zatím – pokud je známo – se to do konce roku nepodařilo. Fyzikové mají ještě smělejší plány, do tří let chtějí ovládnout dvojnásobek, tedy dvacet fotonů.

Schopnost teleportovat více kvantových stavů najednou je podstatná pro úplný popis kvantové částice a znamená významný krok k teleportaci většího objektu, než je kvantová částice. Kvantová teleportace je považována za klíčový prvek v nadcházejícím vývoji kvantových komunikací na velké vzdálenosti, které zaručují absolutní bezpečnost, a vývoji superrychlých kvantových počítačů a kvantových sítí.

Poprvé bylo změřeno cyklotronové záření z jediného elektronu

„Projekt 8“ spočívá ve spolupráci několika fyzikálních skupin za účelem změření cyklotronového záření jednotlivých elektronů během beta rozpadu isotopu krypton-83. Cyklotronové záření je v podstatě magnetické brzdné záření, které vysílá elektron obíhající po určité orbitě v magnetickém poli. Záření elektron vysílá, když prochází magnetickým polem, což umožňuje provést velmi přesné měření energie, při níž je částice emitována. Teď fyzici pracují na dalším zpřesnění, aby bylo možno přesně určit jednu z nejhůře polapitelných veličin ve fyzice. Tou je hmotnost elektronového antineutrina, které také vzniká při beta rozpadu.

Fyzici konečně zahlédli Weylovy fermiony

Mezinárodní tým fyziků vedený Zahidem Hasanem z Princetonu provedl průkopnická studia Weylových fermionů. Tyto nehmotné částice předpověděl už v roce 1929 německý matematik Hermann Weyl. Napřed se myslelo, že by Weylovými fermiony mohla být neutrina, jenže teď už je téměř jisté, že neutrina mají nenulovou hmotnost, a tak tato domněnka padla.

Weylovy fermiony jsou částice velmi podivné. Byly objeveny uvnitř kovového krystalu arsenidu tantalu, tedy nikoliv na nějakém obrovském urychlovači, jako většina nových částic. Mohly by být základem zcela nové elektroniky nebo spíše fermioniky. Pokud jsou Weylovy fermiony v krystalu, mají velikou pohyblivost a jejich „nehmotnost“ jim dovoluje přenášet elektrický náboj materiálem daleko rychleji, než to umí normální elektrony. Podobně se chovají elektrony v grafenu, jenže grafen je dvojrozměrný materiál a Weylovy fermiony mohou existovat v 3D materiálech, které jsou pro praktické využití daleko výhodnější. Weylovy částice jsou topologicky chráněny před rozptylem, takže by mohly být velmi užitečné pro kvantové počítače. Fyzika Weylových fermionů je tak zvláštní, že z ní může vzejít mnoho věcí, které si dnes nejsme schopni ani představit.

Porušení Bellových nerovností definitivně prokázáno

Kvantová mechanika je správná a Bellovy nerovnosti jsou v přírodě skutečně narušeny. Fyzici z Technické univerzity v Delftu provedli experiment, jehož výsledky opět potvrdily neplatnost Bellových nerovností, a tím i neplatnost jakýchkoliv klasických alternativ ke kvantové teorii. Experiment „ucpal“ zbývající skuliny v předchozích experimentech a definitivně ukončil debatu o principech, o které se může kvantová teorie opírat.

Kvantová fyzika poutá pozornost vědců už víc než sto let. Albert Einstein a Niels Bohr věnovali tomuto tématu mnoho hodin diskusí, Einstein ji totiž odmítal právě kvůli možnosti kvantového provázání, které nazýval „strašidelným působením na dálku“. V roce 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky a Nathan Rosen ukázali, že dvě kvantové částice (třeba elektrony) mohou být ve stavu, kdy měření jedné z nich okamžitě ovlivňuje druhou bez ohledu na vzdálenost. Tento zdánlivý paradox trojici znepokojil, protože ve světě klasické fyziky by to vyžadovalo, aby se informace šířila rychlostí větší, než je rychlost světla. Tento vztah mezi částicemi byl později nazván „kvantové provázání“ (entanglement) a následující práce ukázaly, že provázání může být určeno z korelací mezi měřeními provedenými na dvou částicích. Korelace mezi provázanými částicemi je daleko silnější, než dovoluje klasická fyzika. A to je vlastnost důležitá pro kvantové počítače a jiné kvantové technologie.

V roce 1964 Bell odvodil, jak silné by tyto korelace musely být, kdyby byly způsobeny pouze klasickou fyzikou. Tak vznikly slavné Bellovy nerovnosti. Stanovil, že se korelace silnější než limit daný těmito nerovnostmi mohou vyskytnout pouze v případě, že jsou částice kvantově provázány. Experimenty provedené s fotony, ionty a dalšími provázanými částicemi potvrdily, že Bellovy nerovnosti jsou skutečně porušovány. Jenže v těchto experimentech se vyskytovalo několik skulin, které by mohly znamenat, že porušení způsobují nějaké nepředvídané efekty klasické fyziky. A teprve nejnovější práce holandských fyziků a jejich španělských kolegů tyto skuliny nade vší pochybnost eliminovaly.

Fyzikové v experimentech použili provázané spiny v diamantech vzdálených 1,28 km a měřili korelaci mezi těmito spiny. Velká vzdálenost mezi diamanty a relativní snadnost měření spinů zaručují, že experiment nemá žádné mezery, a výsledky potvrzují zdánlivě bizarní koncepci kvantově-mechanického provázání.

První viditelné světlo, detekované přímo z exoplanet

Fyzici z university v Portu a jejich kolegové z Portugalska, Francie, Švýcarska a Chile byli první, kdo změřil s vysokým rozlišením spektrální charakteristiky světla odraženého od exoplanet. Tým použil zařízení „High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher“ na Evropské jižní laboratoři La Silla. Tým studoval světlo přicházející z planety 51 Pegasi b, která byla objevena v roce 1995. Použil novou techniku, kterou členové týmu sami vyvinuli, a byli schopni změřit hmotnost planety, sklon oběžné dráhy a odrazivost. Tyto veličiny použijí k odhadu složení povrchu planety i její atmosféry.

Na kolidéru LHC objevili dva pentakvarky

Tým pracující na kolidéru LHC v CERN prokázal, že se pět kvarků (přesně čtyři kvarky a jeden antikvark) může spojit dohromady a vytvořit částici, která se nazývá pentakvark. Taková částice byla předpovězena už v sedmdesátých letech minulého století a kolem roku 2000 byla její existence podrobena ostré diskusi. Každá částice, kterou zatím známe, se až na exotické výjimky skládá z kvarku a atikvarku nebo ze tří kvarků. Letos byla existence nové částice prokázána při srážce protonů na LHC. Vznikly dva pentakvarky s hmotností 4 400 MeV/c2. Oba signály měly statistickou platnost větší než 9σ, což je mnohem víc než standardní hranice pro objev v částicové fyzice, která je 5σ. Pokud se existence pentakvarku definitivně potvrdí, bude to znamenat zcela nový pohled na fyziku. Studium vlastností pentakvarku pomůže lépe porozumět tomu, jak je hmota tvořena.

Supravodič s nejvyšší teplotou fázového přechodu

Němečtí fyzici objevili materiál, který se může stát supravodivým při teplotách, které se v přírodě vyskytují. Tým zjistil, že sulfid vodíku je supravodivý při tlacích kolem 1,5 milionu atmosfér až do teploty 203 K, což je o 19 K vyšší teplota než nejvyšší teplota, která byla doteď dosažena při měření v Antarktidě. I když je ještě třeba zjistit, proč má právě tento materiál schopnost stát se supravodivým při relativně vysokých teplotách, jde zase o další krok (nebo krůček) k vysněnému cíli tohoto oboru. Tím je dosažení supravodivosti při pokojové teplotě.

Přenosný „battlefield MRI“

Fyzikální tým z Los Alamos National Laboratory vytvořil praktický přenosný systém MRI, což je zobrazování pomocí magnetické rezonance. Pozoruhodný je hlavně tím, že používá velmi nízké magnetické pole, která je možno vytvořit v místech, kde nejsou laboratoře vybavené náročným zařízením. To ovšem znamená, že zařízení musí být schopno detekovat mnohem slabší signály, než ty, které jsou k dispozici v zařízeních, používajících supravodivou kvantovou interferenci (SQUIDs). Vzhledem k tomu, že zařízení není náročné na velikost magnetického pole a má odlehčenou konstrukci, tým doufá, že se stane jejich příspěvkem k modernímu vybavení nemocnic v rozvojových zemích a v polních nemocnicích ve válečných zónách, kterých je bohužel stále až moc.

Fermionový mikroskop

Fyzici z MIT sestrojili první fermionový mikroskop, zařízení, které je schopno zobrazit až 1 000 jednotlivých elektronů v silně podchlazeném plynu. Velkého pokroku bylo dosaženo v porozumění tomu, jak elektrony v materiálu navzájem interagují. Fyzici to udělali tak, že ochladili atomy na velmi nízké teploty a pak použili světlo a magnetické pole k přesnému naladění interakce mezi těmito atomy. Fermionový mikroskop znamená krok kupředu v tom, že dovoluje fyzikům pozorovat chování jednotlivých fermionů v průběhu chlazení. Nová technika umožní v blízké budoucnosti pozorovat magnetické interakce mezi atomy a mohla by dokonce detekovat magnetické provázání v souboru atomů.

Křemíkové kvantové logické hradlo

Fyzici z univerzity v Novém Jižním Walesu spolu s japonskými kolegy vytvořili první křemíkové kvantově-logické neřízené hradlo (CNOT). To je základní složkou kvantových počítačů, a bylo přitom zhotoveno konvenčním způsobem používaným v polovodičové technologii. Kvantové počítače využívají podivuhodné zákony kvantové fyziky k provedení řady výpočtů daleko rychleji, než to umí ty nejrychlejší konvenční počítače. Hlavní výzvou, která před fyziky stojí, je zachovat kvantové bity informací, které mají v reálném světě tendenci rychle degradovat. Jednou z možností je využít jako kvantový bit (quibit) spin elektronu. Spinové quibity se podařilo vyrobit z kvantových teček a kvantové logické prvky pak propojením těchto polovodičových kvantových teček. Spinové stavy v těchto uspořádáních však rychle degradují, protože interagují s jadernými spiny v polovodičových materiálech, ze kterých se obvykle kvantové tečky dělají.

Zdroj degradace (dekoherence) může být ale silně redukován, pokud se kvantové tečky udělají z křemíku, jeho izotop křemík-28 má totiž nulový jaderný spin. Teď to právě zkusili japonští fyzici z Keio University v Novém Jižním Walesu a uspěli. Jako pokračování plánují rozšířit novou technologii až k vytvoření kompletního čipu pro kvantový počítač.

Původní materiály byly uveřejněny v časopisech Nature, Science, Physics World, Applied Physics Letters, Science Advances.

Další díly:

Autor: Jana Štrajblová
Úvodní foto: LHC posouvá hranice fyziky prostřednictvím kolizí o dosud nevídané energii 13 TeV (foto: Brice, Maximilien)

„Top ten“ fyziky roku 2015