Je Schrödingerova kočka mrtvá, či živá?

Roku 1935 nadnesl Albert Einstein spolu se svými kolegy hypotézu „kvantového provázání“, podle níž kvantová teorie předpovídá spojení mezi vzdálenými částicemi. Géniovi se ovšem hned zpočátku celá idea protivila a mluvil o ní jako o „strašidelné akci na dálku“. Doufal, že hypotéza kvantového provázání dokáže, že kvantová teorie – kterou neměl moc v lásce – byla nějakým způsobem chybná či ještě ne zcela pochopená.

Kvantové provázání představuje bizarní odnož kvantové teorie: Podle ní jsou určité vlastnosti páru částic propojeny tak, že změříme-li hodnotu jedné z nich, okamžitě zjistíme také stav druhé – i kdyby je dělila vzdálenost celého vesmíru. Zvláštní, že? Naneštěstí pro Einsteina, kvantové provázání se podařilo několikrát prokázat jako pravdivé, ovšem dosud jen na nižší než atomární úrovni.

Oboje zároveň

Kvantová teorie popisuje, jak fungují nejmenší známé části vesmíru, a předvídá chování elektronů i atomů, molekul i fotonů – a to neuvěřitelně dobře: Dle předního fyzika Richarda Feynmana je kvantová teorie tak exaktní, že je to jako odhadovat vzdálenost mezi New Yorkem a Los Angeles s přesností na šířku lidského vlasu. Kvantové částice se však podle ní chovají úplně jinak než běžné předměty, s nimiž přicházíme do styku.

Mezi její klíčové principy patří myšlenka, že se částice mohou v danou chvíli nacházet na více než jednom místě. Kvantové částice kupodivu nemají konkrétní umístění, tedy pokud nevstupují do kontaktu s okolím nebo není-li jejich poloha konkrétně změřena. Namísto toho vše, co existuje, představuje pouhý souhrn pravděpodobností, kdy a kde se může daná částice vyskytovat – mluvíme o tzv. superpozici stavů. Právě zmíněný fenomén vede k myšlenkové hře s kočkou, která je živá i mrtvá zároveň.

Vzniká tak rozpor mezi naším každodenním makrosvětem s jeho předměty, jež dodržují předvídatelnou přesnost „klasické fyziky“, a mikroskopickým prostředím drobných objektů „kvantové fyziky“, kde vládne pravděpodobnost. Einsteina uvedená myšlenka natolik vyděsila, že prohlásil: „Raději budu ševcem nebo zaměstnancem domu hazardu než fyzikem!“

Neprolomitelná šifra

V roce 1930, kdy Einstein vznesl proti kvantovému provázání námitky, nebylo možné tuto teorii potvrdit experimentem. Ale v 70. letech už takový pokus proveditelný byl a od té doby se jich odehrál bezpočet. Dnes dokonce existuje několik možností, jak kvantové provázání aplikovat prakticky – třeba při tzv. kvantovém šifrování. 

Inspirací se stal nápad amerického bankéře a kryptografa Franka Millera, který před sto lety pracoval na neprolomitelné tabulkové šifře, známé dnes jako Vernamova. Úmyslem bylo dát odesílateli i příjemci klíč z náhodných hodnot, popsaný přístup však nezaručoval stoprocentní bezpečnost. Klíč totiž musely obdržet obě strany, a šifru šlo tudíž prolomit. Kvantové provázání ovšem poskytuje náhodné hodnoty i na velmi vzdálených místech, a navíc umožňuje kontrolovat, zda částice zůstaly provázané, aniž by se na ně někdo podíval: Pokud jsou totiž změřeny, změní svůj stav. Nikdo cizí si tak nemůže přečíst náhodný klíč dřív, než částice dosáhnou svého cíle. Čínští výzkumníci princip testovali pomocí fotonů, jež poslali na vzdálenost 1 200 kilometrů.

Jako ze Star Treku

Kvantové provázání také umožňuje vytvořit teleport. Bez provázání nelze kvantové částice kopírovat, protože pokud je pozorujete, změní se jejich stav z neurčitého na variantu s určitými fyzikálními vlastnostmi. Provázání však může přenést stav z jedné částice do druhé, aniž by se na ni někdo podíval – tedy bez jeho změny. Připomíná to transportér ze Star Treku, jen s tím rozdílem, že opravdová teleportace nikoho nikam nepřenáší, pouze na jiném místě vytvoří z „originálu“ kopii, aniž by se někam přesouval. 

Teleportovat člověka by bylo velmi nepraktické, protože tělo sestává z příliš mnoha atomů. Je však možné takto přesunout kvantovou informaci, což hraje zásadní roli při vzniku kvantových počítačů. U jejich standardních protějšků mají bity hodnotu 0, nebo 1. U kvantových počítačů je nahrazují kvantové bity neboli qubity, které kombinují současně pravděpodobnost nuly a jedničky, což speciálním programům umožňuje běžet mnohem rychleji než na normálním počítači.

Kvantoví ptáci

Kvantové jevy se ovšem neustále objevují dokonce i mimo laboratoř. Každá interakce hmoty s jinou látkou či světlem představuje kvantový proces. Veškerá elektronická zařízení spoléhají na kvantové jevy, a neobešlo by se bez nich ani Slunce: Využívá pravděpodobnostní povahu umístění kvantových částic, což umožňuje, aby se k sobě atomy vodíku dostaly dost blízko na vytvoření fúze a následnou produkci energie. 

Zvyšuje se i povědomí o kvantových procesech v biologii. Je možné, že rostliny při fotosyntéze směřují vyprodukovanou energii na konkrétní místo vlastního těla právě díky kvantovému provázání. Jeho princip také zřejmě holubům a červenkám umožňuje navigaci: Světlo pronikající do jejich očí zvyšuje energii elektronů. Mezi vlastnosti zmíněných částic patří tzv. spin, snadno ovlivnitelný malými odchylkami v magnetickém poli Země. Má se tedy za to, že kvantová provázanost dovoluje ptákům „vidět“ magnetické pole pomocí propojení různých elektronů. 

Jak daleko lze jít?

Je však možné kvantové jevy aplikovat na větší objekty než atomy a molekuly? Zdá se, že odpověď zní „ano“. Simon Gröblacher z nizozemské Technische Universiteit v Delftu spolu s kolegy provázal dvě mikroskopické křemíkové tyčinky, jež měřily méně než lidský vlas, a sice 10 × 1 × 0,25 miliontiny metru. Měly v sobě drobné kapsy, absorbující energii z laserového světla, jež způsobovalo vibrace. Bylo nastaveno tak, že se vibrace tyčinek propojily pomocí kvantového provázání, což je velice neobvyklé. 

V předmětu popsané velikosti obyčejně dochází k interakci mezi různými atomy jak uvnitř, tak s těmi působícímu zvenčí, což vyvolá proces známý jako „dekoherence“. Poté následuje rozbití kvantového provázání. Nicméně zde byl pokus úspěšný a nabízí se otázka: Pokud lze provázat dvě křemíkové tyčinky, jak daleko můžeme jít? Je možné provázat živé organismy?

Provázané organismy

Kvantová biologie představuje stále velmi mladý obor, ale několik vědců – inspirováno experimenty, jaké provedl například doktor Gröblacher – vymýšlí pokusy na využití kvantových efektů k provázání v živých organismech. Jedna výzkumná skupina dokonce věří, že už se jí něco podobného podařilo. 

V roce 2016 David Coles z University of Sheffield spolu s kolegy vysílal světlo, jež se odráželo úzkou mezerou mezi dvěma zrcadly, skrz zelené sirné bakterie. Experiment vymysleli pro studování fotosyntézy, ale skupina z University of Oxford při následné analýze dat zjistila, že se molekuly uvnitř sirných bakterií provázaly s fotony světla. Vědci si zmíněným účinkem nejsou stoprocentně jistí: Prokázat provázání by totiž vyžadovalo nezávislé měření fotonů a bakterií, což v jejich konkrétním pokusu nebylo možné. 

Vedoucí oxfordského projektu Chiara Marlettová přiznává, že práce s živými organismy je mnohem složitější než s kvantovými částicemi: „V kvantové biologii jsou molekuly velmi chaotické a není snadné provést přesná měření. Museli bychom izolovat jednu molekulu živého organismu uvnitř bakterie a prokázat, že je provázaná se světlem.“

Teleportace v bakterii?

Pokud ovšem takové provázání u bakterií skutečně funguje, jde pravděpodobně o mechanismus přežití, který uvedené organismy používají k zachycení vzácného světla hluboko v oceánu. A kdyby se provázání prokázalo, otevřelo by bohatou škálu dalších možností. „Vedla se dlouhá debata, zda lze kvantovou teorii aplikovat na všechny velikosti. Pokus ukázal, že biomolekuly v živých tvorech jsou dokonale schopné zobrazovat kvantové efekty pomocí provázání se světlem. Pozoruhodné také bylo, že zmíněná bakterie byla během celého experimentu živá,“ objasňuje Marlettová.

Její kolega Tristan Farrow navrhl novou studii teleportace tak, že by provázal kvantové vlastnosti ve dvojici bakterií: „Dlouho se mělo za to, že velké, horké a chaotické systémy – jako biomolekuly, nebo dokonce živé organismy – jsou ke kvantovým stavům nepřátelské. Že v nich provázání nepřetrvá dost dlouho, aby mělo v rámci našeho výzkumu smysl. Nevíme, jestli je to pravda ve všech případech, nebo zda dokážou určité struktury uvnitř těchto složitých molekul kvantové vazby ochránit.“

Hledá se využití

I v popsaném případě by se experiment mohl dočkat praktického využití. „Biologií inspirovaný kvantový počítač představuje jednu z možností, jak náš výzkum uplatnit v praxi. Dále bychom mohli zkoumat také struktury inspirované biologií,“ vysvětluje Farrow. „Mohli bychom vytvořit umělý list pro sběr energie ze světla, a to s extrémní účinností – což znamená přímý podnět z přírody, konkrétně v tom, jak mohou fotosyntetické molekuly využívat kvantové superpozice k přenosu energie ze slunečního záření.“

TIP: Jerome Friedman exkluzivně: Objevovat je stále těžší

Také Gröblacher se zajímá o pokusy zahrnující živé tvory. V současnosti pracuje na uvedení plátku nitridu, tedy sloučeniny kovů s dusíkem, do superpozice stavů. S použitím laseru lze teoreticky získat sotva viditelnou membránu nitridu křemičitého, měřící asi milimetr, a rozvibrovat ji. Gröblacher věří, že uspějí během několika let: „Superpozice stavů zmíněných membrán by nám pomohla demonstrovat, že předměty, které vidíme pouhým okem, se stále chovají kvantově. My pak můžeme testovat dekoherenci – přechod mezi klasickou a kvantovou mechanikou.“

Gröblacherovy želvušky

Fyzik chce rovněž pokus rozšířit tak, že na membránu nitridu křemičitého a zároveň do superpozice umístí želvušky. K pozoruhodným přednostem zmíněných drobných organismů patří schopnost přežít i v případě dehydratace. Mohly by tedy zůstat v dehydrovaném stavu během experimentu, takže by neměl na jejich biologii žádný vliv. Pokud by se pokus zdařil, dostaly by se Gröblacherovy želvušky coby živá stvoření do dvou stavů zároveň – a tím by se také proměnily ve skutečné Schrödingerovy kočky.