Odborníci i tentokrát sestavili žebříček nejlepších vědeckých prací roku 2016. První polovinu fyzikální „Top Ten“ jsme vám představili v minulém příspěvku. Se zbylými pěti objevy se seznámíme dnes.

„Top Ten“ z fyziky roku 2016:

• Gravitační vlny prokázány
• Nové čočky s vysokou rozlišovací schopností a velkým zorným polem
• Stále přesnější časový normál, thorium-229
• Miniaturní, ale velmi citlivý gravimetr
• Záporný index lomu elektronů v grafenu
• Další skalnatá planeta v obyvatelné zóně Slunce
• Fyzici vytvořili kvantové provázání mezi stejnými ionty
• Schrödingerova kočka živá i mrtvá ve dvou boxech najednou
• Kvantový počítač simuluje interakce elementárních částic
• Tepelný stroj z jediného atomu

Další skalnatá planeta v obyvatelné zóně Slunce

Průlomový objev zaznamenala astrofyzika. Mezinárodnímu týmu pracujícímu na projektu Pale Red Dot se podařilo objevit minimálně jednu planetu obíhající kolem Proxima Centauri, hvězdy, která se nachází nejblíže našemu Slunci. Exoplaneta, která byla nazvána Proxima b, má pevný skalnatý povrch a minimální hmotnost okolo 1,3 hmotnosti Země. Kolem své mateřské planety oběhne za 11,2 dne. Proxima b leží v obyvatelné zóně své hvězdy, což znamená, že by se na ní mohla teoreticky vyskytovat voda v kapalném stavu a mohla by mít přijatelnou atmosféru. Astronomové předpokládají, že by se ve větší vzdálenosti mohly v tomto systému nacházet i další větší exoplanety nebo menší doprovodné planety, důkazy o jejich existenci však zatím nejsou přesvědčivé.

Proximu Centauri objevil v roce 1915 skotský astronom Robert Innes. Tento červený trpaslík leží v souhvězdí Kentaura asi 4,2 světelného roku od Slunce. Hvězda je příliš matná na to, aby byla vidět pouhým okem, navíc se nachází relativně blízko jasné dvojhvězdy Alfa Centauri. Vzhledem k tomu, že je Proxima b vystavena silnějšímu ultrafialovému a rentgenovému záření než Země, astronomové nevylučují existenci atmosféry. Jestli skutečně obsahuje kapalnou vodu a případně nějakou formu života, závisí podle astronomů na tom, jak se hvězda tvořila a vyvíjela.

Fyzici vytvořili kvantové provázání mezi stejnými ionty

Fyzici z univerzity v Oxfordu a v NIST v americkém Boulderu vytvořili a změřili kvantové provázání mezi dvojicemi dvou různých druhů iontů. Práce je klíčovým krokem k vytvoření iontového kvantového počítače, ve kterém budou různá jádra provádět různé funkce. Takový hybridní systém by mohl mít výhodu, protože některé ionty se pro řešení specifických úloh kvantového počítání hodí více.

Tým z Oxfordu použil k provázání dva různé izotopy stejného prvku, vápník-40 a vápník-43, zatímco skupina z NIST použila beryllium-9 a hořčík-25. K vytvoření feromagnetické interakce mezi spiny párů dvou různých iontů vzdálených několik mikrometrů bylo na NIST použito laserové mikrovlnné záření. Vytvořená interakce znamená, že když spin jednoho iontu míří „nahoru“, spin druhého iontu má stejnou tendenci.

Kvantové provázání umožňuje dvěma nebo více částicím mít daleko užší vazbu než připouští klasická fyzika, a to bez ohledu na to, jak jsou od sebe vzdáleny. Stavy provázaných částic jsou nerozlučně spjaty, jakákoliv změna na jedné částici okamžitě ovlivní stavy částice druhé.

K vytvoření zmíněného hybridního iontového kvantového počítače jsou různé ionty různě vhodné. Například vápník-43 je nejlepším qubitem pro vytvoření kvantové paměti. Taková paměť je schopná udržet informaci po dobu jedné minuty. Naopak vápník-40 je výhodnější pro interakci s fotony, takže může být použit pro přenos informace uvnitř kvantového počítače nebo pro přenos z jednoho počítače na druhý. Velkou výhodou použití iontů, které jsou izotopy jednoho prvku, je to, že izotopy jsou natolik podobné, že se s nimi v iontové pasti dá manipulovat stejným způsobem.

Schrödingerova kočka živá i mrtvá ve dvou boxech najednou

Fyzici z univerzity v Yale v USA a z Inria Paris-Rocquencourt ve Francii vytvořili „novou“ Schrödingerovu kočku, která má další krabici na hraní. Ve dvou boxech najednou je současně živá a mrtvá.

Schrödingerova kočka živá i mrtvá ve dvou boxech najednou (Obrázek: Michael S. Helfenbein / Yale University).

Paradoxem Schrödingerovy kočky si láme hlavu řada generací fyziků i nefyziků. Jak může být kočka zároveň živá i mrtvá? Tento paradox vychází ze základního principu kvantové mechaniky, kterým je superpozice. Ta vzniká, protože mikroskopické částice, jako je třeba foton, jsou podle obecně přijatého předpokladu současně ve všech možných stavech, v případě kočky ve všech možných prostorových pozicích, dokud se neprovede měření a vlnová funkce zkolabuje.

V reálném „klasickém“ světě neexistují makroskopické objekty ve stavu superpozice. To obvykle bývá vysvětlováno vlivem dekoherence, kdy interakcí s okolím stavy ztrácejí koherentní kvantovou povahu.

Fyzici dnes vcelku běžně dokáží vytvořit mnohačásticové systémy z fotonů, které jsou v kolektivní superpozici ve dvou velmi odlišných stavech. Tyto stavy jsou snadno rozlišitelné a mohou se vytvořit pomocí harmonických oscilátorů. Oscilace mikrovlnného pole si můžeme představit třeba jako kývání kyvadla a dva odlišné stavy potom jako dvě jeho krajní polohy. Ve stavu kočky by muselo být kyvadlo v obou odlišných polohách najednou.

K vytvoření kočky ve dvou módech použili fyzici místo jednoho dva harmonické oscilátory reprezentované mikrovlnnými dutinami. V tomto případě živá kočka odpovídá mikrovlnnému poli šířícímu se v obou dutinách v kladném směru, zatímco mrtvá kočka odpovídá poli opačného směru. Tato kvantová kombinace superpozice makroskopických multičásticových stavů a provázání byla navržena už v roce 1993, teprve letos však byla potvrzena experimentálně.

Tento těžko představitelný experiment má potenciální aplikace v kvantovém počítání, zvláště pokud stavy kočky fungují jako samoopravitelné qubity. Informace je totiž „nadbytečně“ zakódována ve stavech s mnoha stupni volnosti. Generování kočky ve dvou boxech představuje první krok směrem k logickým operacím mezi dvěma kvantovými bity zahrnujícími systém automatického opravování chyb. Uplatní se hlavně v kvantové metrologii a v sítích kvantových komunikací.

Kvantový počítač simuluje interakce elementárních částic

Fyzici z Innsbrucku simulovali interakce elementárních částic pomocí kvantového počítače. Tým použil čtyři zachycené ionty k modelování procesu, který popisuje vytváření a zánik párů elektron-pozitron.

Zákony kvantové mechaniky způsobují, že chování velkého počtu mikroskopických částic není možné pomocí konvenčních počítačí snadno popsat. Objekty totiž mohou existovat ve stavu superpozice nebo mohou být kvantově provázány a potřebný počítačový výkon roste exponenciálně s růstem počtu částic. Tento fakt přiměl už na začátku 80. let Richarda Feynmana navrhnout, aby se k modelování chování jiných kvantových systémů použily samotné kvantové systémy ve formě kvantových počítačů. Jeho vize se v posledních letech stala realitou, když vědci začali realizovat kvantové počítače k simulaci chemických reakcí nebo pro navrhování nových systémů kondenzovaných látek.

Fyzici z Innsbrucku vytvořili digitální kvantový počítač a použili ho k simulování fyziky kalibrační (gauge) teorie. Tyto teorie popisují, jak elementární částice, jako jsou kvarky nebo elektrony, navzájem interagují a tvoří základ Standardního modelu částic. Přinášejí však tvrdá omezení pro modelování, protože každá interakce musí splňovat řadu zákonů zachování, které v jiných typech simulací nejsou nutné.

Rakouský tým vymyslel a zrealizoval kvantový algoritmus pro účinné modelování jednoduchého typu kalibrační teorie jednodimenzionální kvantové elektrodynamiky. Počítač, který použili, obsahoval čtyři vápníkové ionty ve funkci qubitů. Ty jsou lokalizovány elektrickým polem a manipuluje se s nimi laserem, takže každý iont může existovat v superpozici dvou energetických hladin a může být provázán s jinými ionty. Každý iont reprezentuje bod v prostoru a jeho dva energetické stavy odpovídají přítomnosti nebo nepřítomnosti konkrétní subatomové částice, buď elektronu, nebo pozitronu. Na začátku jsou stavy všech čtyř nastaveny tak, že systém v tomto bodě reprezentuje vakuum. Kvantové stavy iontů se pak změní pomocí laserových pulsů. Tyto pulzy mohou reprezentovat tři jevy: vytváření nebo zanikání párů elektro-pozitron, coulombovské interakce mezi částicemi, nebo energii reprezentovanou hmotností částice. Jakmile laserové pulzy skončí, konečný stav každého qubitu se dá přečíst druhým, modrým laserem. Ten způsobí, že ionty emitují záření, pokud jsou v jednom energetickém stavu, a naopak záření neemitují, pokud jsou v jiném stavu.

Skupina z Innsbrucku tvrdí, že kvantové simulátory mohou daleko překonat ty nejlepší klasické počítače, pokud budou mít alespoň 30 qubitů. Vědci na tom už intenzivně pracují.

Tepelný stroj z jediného atomu

Němečtí fyzici z univerzity v Mainzu dovedli miniaturizaci až do krajní meze, když vyrobili tepelný motor, jeden z klíčových vynálezů klasické termodynamiky, z jediného atomu, a dokázali ještě navíc změřit jeho výkon.

Tepelný motor je zařízení, které mění gradient teploty na mechanickou práci. Jde o typický produkt klasické termodynamiky. Definice teploty je v klasické termodynamice odvozena od střední energie velkého počtu částic, a nedá se tedy přímo použít pro jeden atom. Nicméně i v klasické termodynamice se dá dobře definovat teplota takové částice použitím takzvaného ergodického teorému, který stanoví, že průměrná energie velkého počtu částic v určitém prostoru je rovna energii jedné částice za určitý čas. Právě to bylo nejobtížnější částí návrhu tepelného motoru – jak použít časově zprůměrovanou definici teploty.

Řešení našli fyzici v uzavření iontu vápníku ⁴⁰Ca⁺ do pasti tvaru nálevky. Částice mohla provozovat Brownův pohyb v radiálním směru. Pak vědci částici zahřívali pomocí elektrického šumu. Současně s růstem teploty se zvětšovaly amplitudy oscilací částice v radiálním směru. To vedlo k náhodnému zapojování oblasti s vyšším potenciálem a částice se přitom posouvala směrem ke konci pasti, kde byla méně pevně lokalizována. Po vypnutí šumu se iont ochladil a spadl zpět do užší, příkřejší části pasti. Periodickým zapínáním a vypínáním šumu byly nastaveny axiální oscilace iontu mezi dvěma konci pasti. Pokud by oscilace nebyly tlumeny, rostly by tak dlouho, až by částice opustila past. Proto fyzici použili k tlumení oscilací laser tak, aby částici udržovali ve stavu stabilních harmonických oscilací. V ustáleném stavu se energie produkovaná motorem rovná energii, kterou spotřebovává brzdicí laser. Konkrétní hodnota výstupní energie motoru je kolem 3,5.10⁻²² W. Když se vezme v úvahu počet částic a rozdíl mezi teplotami teplejšího a chladnějšího konce pasti, dojdeme k velikosti výstupního výkonu srovnatelného s výkonem motorů moderních automobilů.

Cílem práce je více chladit atom a pevněji ho lokalizovat, takže se už nebude chovat jako klasická částice podléhající zákonům Brownova pohybu, ale bude představovat kvantový vlnový balík. Díky tomu vědci budou moci studovat, jak se termodynamika chová, když se setká s kvantovou mechanikou. V této oblasti existuje ještě mnoho nezodpovězených otázek.

Takové jsou podle panelu významných fyziků různých národností nejpozoruhodnější výsledky, které přinesla fyzika v loňském roce. Existuje však určitě ještě řada dalších prací, které se do seznamu nedostaly, a přitom by si v něm zasloužily být. Nevýhodou podobných žebříčků bývá to, že z nich nikdy nelze zcela eliminovat subjektivní pohled jejich tvůrců. Budiž nám však útěchou, že každá skutečně dobrá práce se ve fyzice dokáže časem prosadit sama.

Mohlo by vás zajímat:

Fyzikální „Top Ten“ za rok 2016: Část I
Barvy inspirované přírodou
Papírová páska překvapuje vědce
Světlo lokalizované v dosud nejmenším objemu

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Autor: Jana Štrajblová
Úvodní foto: Nově objevená planeta Proxima Centauri b (obrázek: ESO)