Po celá desetiletí byl koncept kvantového zapletení – to, co Albert Einstein slavně nazýval „strašidelná akce na dálku“ – demonstrován především na částicích světla (fotonech) nebo na vnitřním „rotování“ atomů. Nová převratná studie publikovaná v časopise Nature Communications však dosáhla něčeho zásadně jiného: vědcům se podařilo zamotat fyzický pohyb atomů.
Propojením hybnosti dvou pohybujících se atomů se výzkumníci posunuli za říši světla do říše hmoty, čímž otevřeli nové obzory pro pochopení gravitace a vysoce přesná měření.
Průlom: matoucí momentum
V nedávném experimentu tým výzkumníků prokázal, že páry ultrachladných atomů helia mohou být spojeny kvantově mechanicky prostřednictvím jejich hybnosti – kombinace hmotnosti objektu a jeho rychlosti.
Ačkoli bylo zapletení pozorováno i v jiných formách, tento experiment je jedinečný v tom, že zahrnuje částice, které mají hmotnost. Toto rozlišení je kritické:
– Fotony (částice světla) nemají žádnou hmotnost a jsou nezávislé na gravitaci.
– Atomy mají hmotnost a reagují přímo na gravitační síly.
Vědci tím, že dokázali, že hybnost lze zamotat, potvrdili, že podivná, kontraintuitivní pravidla kvantové mechaniky platí nejen pro světlo, ale i pro fyzický pohyb hmoty samotné.
Jak experiment probíhal
Výzkum, který provedl tým fyziků včetně Seana Hodgmana z Australské národní univerzity, vyžadoval extrémní podmínky a extrémní přesnost.
1. Vytvoření „kvantového mraku“
Tým začal s oblakem helia ochlazeným téměř na absolutní nulu. Při těchto teplotách se atomy zpomalí natolik, že ztratí svou individualitu a sloučí se do jediného kolektivního stavu známého jako Bose-Einsteinův kondenzát.
2. metoda „halo scattering“.
K vytvoření propletených párů použili vědci přesně vyladěné laserové pulzy k manipulaci s kondenzátem. Rozdělili oblak do tří skupin: jedna směřovala nahoru, druhá dolů a třetí zůstala nehybná. Jak se tato oblaka pohybovala, atomy se srážely a odlétaly od sebe v opačných směrech a vytvářely „rozptýlené halo“ – kulové obaly korelovaných párů atomů.
3. Důkaz „strašidelného“ spojení
Aby bylo zajištěno, že spojení bylo skutečně kvantové a ne pouze klasickou náhodou, použil tým interferometr Rarity-Tapster. Tím, že atomy odráželi zpět na sebe, aby vytvořili interferenční vzory, dokázali, že atomy jsou ve stavu „superpozice“ – stavu, kdy jsou ve skutečnosti na více místech nebo stavech najednou, dokud není provedeno měření. Data shromážděná za měsíc nepřetržitého testování potvrdila, že tyto korelace nelze vysvětlit z hlediska klasické fyziky.
Proč na tom záleží: od senzorů po kvantovou gravitaci
Nejde jen o teoretické vítězství; to má hluboké důsledky pro budoucnost technologie a naše chápání vesmíru.
- Ultra přesné senzory: Atomy propletené hybností by mohly vést ke kvantovým senzorům schopným detekovat drobné gravitační vlny nebo mapovat vnitřek Země s nebývalou přesností.
- Testování limitů fyziky: Další hranicí bude srážka různých izotopů helia (helium-3 a helium-4). Vzniknou tak částice, které se zapletou do hybnosti i hmoty.
- Záhada gravitace: Takový experiment posune hranice moderní vědy. Současné koncepty, jako je Obecná teorie relativity, mají potíže s popisem stavů, kde se hmota a kvantová provázanost protínají. To by mohlo poskytnout kritická data potřebná k rozvoji teorie kvantové gravitace – „svatého grálu“ fyziky, který se snaží sjednotit největší (gravitaci) s nejmenšími (kvantová mechanika).
“Naše mozky nejsou úplně vybaveny na to, aby to zpracovaly,” poznamenal Hodgman. “V malém měřítku se atomy zdají být rozmazané, spíše než konkrétní shluky… A to se zdá velmi, velmi zvláštní.”
Závěr
Úspěšným zapletením hybnosti masivních atomů fyzici překlenuli propast mezi kvantovou mechanikou světla a fyzickým světem hmoty. Tento milník připravuje cestu pro další generaci senzorů a poskytuje nové, sofistikované testovací prostředí pro testování základních zákonů gravitace a kvantové teorie.
