Začíná další rok, a protože fyzika nemá ráda diskontinuity, hodilo by se navázat na výsledky roku minulého. Loni byla za nejzajímavější výsledek všeobecně považována simultánní kvantová teleportace dvou nezávislých vlastností fotonu. Letos začneme kvantovým provázáním dvou identických iontů. Pak přijde na řadu Maxwellův démon, což není pohádka, ale fyzikální jev. A nakonec něco praktického. Vědci, sponzoři a technologové se spojili s cílem vyvinout lepší ochranu hlavy při sportu i při nebezpečné práci.

Kvantové provázání dvou identických iontů a nová cesta ke kvantovým počítačům

Problém řešily skupiny fyziků z Univerzity v Oxfordu ve Velké Britanii a z NIST v Boulderu v Coloradu. Oběma skupinám se podařilo vytvořit a prokázat kvantové provázání mezi páry dvou různých druhů atomových jader. Jde o klíčový krok k vytvoření „iontového“ kvantového počítače.

Informace se v kvantovém počítači ukládají a přenášejí ve formě kvantových bitů (qubitů), což mohou být na příklad fotony nebo ionty. Qubit rychle ztrácí své kvantově-mechanické vlastnosti, když přijde do kontaktu s vnějším světem – a to je hlavní úskalí, které musí fyzici a konstruktéři kvantových počítačů řešit. Jednotlivé qubity musí totiž navzájem interagovat, a proto nemohou být zcela izolovány od vnějšího světa.

Jednou z cest, jak tuto potíž obejít, je použít k provedení různých funkcí uvnitř kvantového počítače různé druhy qubitů. Na příklad qubit, který se dá dobře izolovat, by se dal použit k uložení informace, zatímco qubit, který interaguje dobře definovatelným způsobem, by mohl obstarávat zpracování dat. Aby takové hybridní schéma mohlo fungovat, musí být kvantová informace přenesena z jednoho typu qubitu na druhý, a to vyžaduje, aby různé typy qubitů byly kvantově provázány.

Kvantové provázání je velmi těžko představitelný jev. Změřením stavu jedné z provázaných částic se stav provázání obou částic zruší a dále se chovají jako částice zcela nezávislé. Kvantová mechanika nedovoluje vytváření kopie kvantových stavů, proto pokud má být kvantový stav přenesen z jedné částice na druhou, dojde k tomu teprve tehdy, když první částice ztratí všechny vlastnosti, které se přenesou na druhou částici.

Kvantové provázání dovoluje dvěma nebo více částicím mít daleko svázanější vztahy než klasická fyzika. A přitom nezáleží na tom, jak daleko jsou od sebe vzdáleny – často se používá tvrzení, že mohou být třeba v jiné galaxii. Stavy provázaných (entanglovaných) částic jsou neoddělitelně spojeny, takže jak už bylo řečeno, jakákoliv změna jedné částice okamžitě vyvolává změnu částice druhé.

Jednu z cest k vytvoření hybridního kvantového počítače představují ionty zachycené v malé vakuové komůrce. Některé ionty budou totiž navzájem a spolu s okolím interagovat, zatímco jiné mohou zůstat izolované. Tato myšlenka fyziky velmi zaujala, a tak teď dokonce dva nezávislé týmy ukázaly, že páry různých typů iontů mohou být provázány.

Britští fyzici z Oxfordu použili dva různé izotopy jednoho prvku, a to vápníku, Ca-40 a Ca-43. Mezitím na MIST v Coloradu zvolili beryllium a magnesium, Be-9 a Mg-25. Laserovým zářením (na NIST použili mikrovlnné záření) vytvořili „ferromagnetickou“ interakci mezi spiny páru dvou různých iontů, které byly od sebe vzdáleny několik mikrometrů. Ferromagnetismus sám o sobě je totiž důsledkem čistě kvantového stavu, který se nazývá „výměnná ferromagnetická interakce“. Znamená to, že se spiny velmi blízkých atomů orientují souhlasně i přes rušivý vliv tepelného pohybu. Pokud spin jednoho iontu ukazuje „nahoru“, spin druhého iontu bude mít v důsledku této interakce tendenci ukazovat ve stejném směru.V této fázi bylo třeba ověřit, že jsou dva ionty skutečně provázány.

Oba týmy prověřovaly provázání pomocí Bellových nerovností. První iont se uvede do kvantové superpozice obou stavů spin „nahoru“ a spin „dolů“. Pak se zavede ferromagnetická interakce. Výsledkem je, že ionty, které jsou ve stavu kvantové superpozice, mají spiny oba „nahoru“ nebo oba „dolů“.

Měření se provede na prvním iontu, který se dostane buď do stavu spin „nahoru“, nebo spin „dolů“. Výsledek tohoto měření je náhodný, ale pokud jsou ionty provázané, výsledek bude mít měřitelný vliv na následné měření spinového stavu druhého iontu.

Určitý stupeň korelace mezi spinovými stavy vyplývá už z klasické fyziky. Ale právě Bellovy nerovnosti udávají horní mez této korelace. Pokud je korelace vyšší, pak musí být ionty provázány kvantově mechanicky. Kvantová mechanika se totiž vyznačuje právě tím, že Bellovy nerovnosti narušuje. V tomto případě je horní mez klasické korelace dána hodnotou dvě. NIST tým naměřil 2,70 a v Oxfordu naměřili 2,228. Obě tyto hodnoty představují velmi výraznou odchylku od klasické hodnoty a dokazují, že mezi ionty existuje kvantové provázání. (Narušení Bellových nerovností jsme podrobně probírali minule).

A praktické důsledky této zdánlivé hry s čísly? Teď se asi většině z nás zdá, že kvantové počítače stále patří do oblasti science fiction. Nemylme se však. Vývoj jde tak rychle dopředu, že si ani nestačíme všimnout, a kvantový počítač se bude běžně používat. Uvědomme si, jak je to dlouho, co vášniví zastánci elektronek posílali polovodiče do horoucích pekel. Ale zpět k našim iontům. Podle fyziků z Oxfordu je iont Ca-43 vůbec nejlepším qubitem pro uložení informace, protože ji dokáže udržet až minutu. Naopak Ca-40 je výhodnější pro přenos informace uvnitř počítače a pro přenos z jednoho počítače na druhý. Stručně řečeno, každý iont je unikátní a každý se nejlépe hodí pro nějakou určitou úlohu.

Nezávislý Maxwellův démon předvádí neuvěřitelné schopnosti

Není to opravdu žádný opožděný silvestrovský vtip. Maxwellův démon, který pracuje bez vnějšího ovládání, už existuje a vytvořili ho fyzici ve Finsku. Prvek separuje elektrony podle jejich energie a zabraňuje elektronům s vyšší energií, aby se dostaly do kontaktu s tranzistorem, tranzistor se tedy chladí. Proces probíhá bez přímé výměny tepelné energie mezi démonem a tranzistorem a využívá informace o velikosti energie elektronů. Zatímco démon neporušuje žádný zákon termodynamiky, zdůrazňuje roli, kterou hrají informace v termodynamice, a mohl by mít velký praktický význam při chlazení elektronických obvodů. Jedná se tedy se o obecný vztah informace a práce.

A co je to Maxwellův démon? Je to myšlenkový experiment, který formuloval anglický fyzik a jeden ze zakladatelů statistické fyziky a termodynamiky James Clerk Maxwell. Základem je Maxwellův pokus o fyzikální definici informace.

Představme si dvě nádoby se stejným plynem o stejné teplotě. Jsou rozděleny přepážkou, ve které sídlí ten malý démon. Rychlosti molekul jsou podle Maxwell-Boltzmannova rozdělení náhodné, ale démon každou z nich zná a propouští rychlé molekuly jedním směrem a pomalé směrem opačným. Po čase zůstanou v jedné nádobě molekuly rychlé a ve druhé pomalé, čímž vznikne rozdíl teplot v obou nádobách, který lze přeměnit na mechanickou nebo jinou energii (práci).

Na první pohled by se mohlo zdát, že by podle těchto úvah bylo možno sestrojit perpetuum mobile druhého druhu. Proč tomu tak není, objasnili fyzici až ve 20. století. Porušení zákona zachování energie by bylo možné jen tehdy, když do soustavy nezahrneme démona samotného. Ten totiž musí znát rychlost všech molekul, musí ji tedy napřed změřit. K tomu potřebuje energii. Nejjednodušším démonem je obyčejná jednosměrná záklopka, kterou dokáží otevřít pouze molekuly s dostatečně velkou kinetickou energií. Přitom ale část této energie ztratí na samotné otevření záklopky (přemění se na teplo). Tepelný gradient se sice vytvoří, ale součet veškerých ztrát na otevření záklopky bude větší než energie, kterou je z něj možno získat pro vykonání práce. Takže sestrojit pohon využívající informace o rychlosti molekul a vytvářející gradient teplot v principu lze, bude ale málo účinný. To platí v makrosvětě, situace v mikrosvětě bude jiná.

Sám Maxwell popsal svoji představu démona v roce 1867. A bylo to prakticky stejné jako vysvětlení dnešní. Popsal bytost, která může ovládat malé dveře v přepážce, co rozděluje nádobu na dvě poloviny. Na začátku jsou obě poloviny také naplněny plynem o stejné teplotě, což znamená že molekuly mají rychlost rovnoměrně rozdělenou podle určité střední hodnoty. Otevíráním a zavíráním dvířek ve správném okamžiku roztřídí démon molekuly tak, že v jedné polovině budou ty, které se pohybují rychleji, a ve druhé polovině ty pomalejší. Během tohoto procesu se přenáší teplo z chladnějšího plynu do teplejšího. Pokud dvířka nemaji tření, zdá se, že dochází k porušení druhého zákona termodynammiky.

Jenže klíčem k úspěchu démona je informace o poloze a rychlosti každé molekuly, takže to bez vynaložení určité energie navíc nejde.

Myšlenkový experiment se od té doby stal nástrojem k osvětlení role informace v termodynamice. V roce 2010 zjistili japonští fyzici, že polystyrenové kuličky o velikosti v řádu mikronů jsou v plynu pomalu postrkovány nahoru jako po spirálovém schodišti a získávají tak potenciální energii v důsledku náhodných srážek s molekulami plynu. To je přimělo k tomu, aby umístili elektrický ekvivalent dvířek ve správný moment na správné místo tak, aby částice nemohly spadnout zpět dolů po „schodišti“.

Bylo to poprvé, kdy vědci kvantifikovali rozsah, ve kterém může být informace přeměněna na energii. Stoupání částic nevyžaduje přímo další energii, vyžaduje ale informaci o tom, kde se částice právě pohybuje. Získání této informace ale vyžadovalo videokameru a příslušný software potřebný ke zpracování informací z této kamery. Jinými slovy, démon nepracoval autonomně.

V nejnovější práci fyzici z Finska popisují démona, kterého vytvořili tak, že pracuje bez vnějšího ovládání. Prvek se skládá z jednoelektronového tranzistoru vytvořeného spojením mikrometr dlouhé měděné kapky se dvěma měděnými vodiči přes tunelové přechody. Tranzistor je spojen s miniaturní měděnou krabičkou. Krabička působí jako démon a z počátku obsahuje jeden elektron generující potenciálový rozdíl, který musí elektron na vstupu tranzistoru překonat. Jakmile elektron dosáhne ostrůvku, náboj v obvodu se změní a to způsobí, že démon vytuneluje elektron z krabičky. Když se vzájemné odpuzování částic sníží, první elektron se zachytí na ostrůvku a následně tuneluje ven.

Protože ostrůvku mohou dosáhnout pouze elektrony s nejvyšší energií v proudu tekoucím tranzistorem, budou odčerpány. Démon tak chladí tranzistor, i když přímý tepelný kontakt mezi ním a tranzistorem neexistuje. Jenže to, co se navzájem místo toho vyměňuje, je informace, a to prostřednictvím Coulombovské interakce elektronů.

Finští fyzici měřili teplotu na vstupu a výstupu tranzistoru a na přívodu k démonovi. Podle očekávání zjistili, že se tranzistor chladí, zatímco démon sám se ohřívá. Zjistili také, že systémem prochází každou sekundu kolem čtyř milionů elektronů. Takže přímo sledovali termodynamické chování démona.

Pochopitelně, že k této práci se objevilo řada připomínek od fyziků z celého světa. Z Los Alamos National Laboratory pochází tvrzení, že finští fyzici skutečně zhotovili nezávislou verzi Maxwellova démona. Nový prvek potvrzuje, že informace může být použita k získání většího množství práce, než kolik zdánlivě dovoluje originální formulace druhého zákona termodynamiky, který říká, že teplo se nemůže samovolně předávat ze studenějšího tělesa teplejšímu. To ovšem neznamená, že se tento zákon dá obejít nebo že za určitých podmínek neplatí.

Podle finských fyziků práce sice nemá okamžité aplikace, nicméně výměna informací mezi tranzistorem a démonem by mohla v budoucnu umožnit odvádění tepla z určitých kritických prvků elektronických obvodů a významně se tak prakticky uplatnit.

Bezpečná helma je také fyzikální problém

Vědci z britské univerzity v Cardifu spojili své síly s výrobci ochranných přileb a vyvinuli nový materiál, který může zabránit mnoha úrazům hlavy. Jedná se o vícevrstvý materiál, který nazvali „C³“ . Z tohoto materiálu se dají 3D tiskem vyrábět helmy na zakázku nebo levnější běžné helmy pro nejrůznější účely.

Helmy jsou všudypřítomné a často je jejich nošení povinné, ať už při různých sportech nebo jako ochranná pracovní pomůcka. Současné helmy představují dobrou ochranu hlavy, pokud případný náraz směřuje přímo na centrum hlavy. Jenže pokud má helma absorbovat různé otáčivé síly, které vzniknou při šikmém nárazu, je ochrana horší. Velká točivá síla může totiž způsobit, že se mozek při nárazu otáčí vzhledem k lebce, a mohou tak vzniknout velmi vážné úrazy. Do tohoto výzkumu se vědci pustili proto, že strategie ochrany před úrazy hlavy zůstává vzhledem k vývoji ostatních technologií hodně pozadu.

Výzkum byl inspirován materiály odolnými proti výbuchu, které vytvořili vědci na univerzitě v Cambridge. Tam totiž vyvíjeli materiály pro armádu, které musely být lehké, ale zároveň schopné absorbovat obrovské množství energie vzniklé při výbuchu nebo při výstřelu. Vědce inspirovala ocel vyrobená s využitím principů origami, která se po výbuchu nebo výstřelu složí definovaným způsobem a přitom absorbuje obrovskou energii.

V Cambridgi přišli na to, že by se podobné materiály daly udělat z polymerů. Skládání polymerové struktury může být navíc „vyladěno“ tak, aby například jedna vrstva dobře absorbovala tlakové síly, zatímco další vrstva absorbovala střihové (smykové) namáhání.

Materiál obsahuje prvky, které mají tvar špičky indiánského šípu a jsou srovnány za sebou v řadách. K dosažení požadovaných specifických vlastností se využívá počítačového modelování a pro výrobu prototypu a jeho testování v laboratoři se dá použít 3D tisk. Helmy se pak mohou vyrábět také sériově pomocí tvarování do formy.

Tento fyzikálně – technologický výzkum je příkladem toho, že se moudří lidé mohou dohodnout i na okamžitě použitelných užitečných věcech. Grant na tento výzkum poskytne britské Ministestvo zdravotnictví, General Electric, Národní fotbalová liga, výrobci sportovního oblečení a Národní ústav pro standardy a technologie. A všem záleží na tom, aby bylo méně vážných úrazů hlavy. Nový materiál se bude moci dokonce používat i na nárazníky automobilů a různé jiné ochranné prvky.

Původní materiály byly uveřejněny v Nature, Physical Review Letters, Nature Physics, Physics World.

Další díly:

Autor: Jana Štrajblová
Úvodní foto: Maxwellův démon je myšlenkový experiment, který formuloval anglický fyzik a jeden ze zakladatelů statistické fyziky a termodynamiky James Clerk Maxwell. Základem je Maxwellův pokus o fyzikální definici informace (foto: Wikimedia Commons)

Aktuality z fyziky XXVI

Kvantové provázání dvou identických iontů a nová cesta ke kvantovým počítačům

Nezávislý Maxwellův démon předvádí neuvěřitelné schopnosti

Bezpečná helma je také fyzikální problém