Kvantová fyzika, pro mnohé teorie divnosti, slaví 100 let

Živé a mrtvé kočky. Jedničky, které můžou a nemusí být nulou. Vítejte v „podivném světě“ kvantové fyziky, který si letos připomíná sté výročí. U příležitosti kulatin vyhlásila OSN letošní rok Mezinárodním rokem kvantové vědy a technologií. Pár zajímavostí z klíčového oboru budoucnosti jsme přinesli v časopise A / Easy.

„Drahý Pauli, pokud se domníváte, že jsem Váš dopis četl s posměchem, pak se hluboce mýlíte; právě naopak – od Helgolandu jsou mé názory na mechaniku každým dnem radikálnější,“ píše v červenci 1925 fyzik Werner Heisenberg svému kolegovi Wolfgangu Paulimu. 

Spolu s tímto listem mu v obálce poslal i rukopis s výpočty. Poprosil přítele o „ostrou kritiku a rychlé navrácení“, aby se mohl rozhodnout, jestli studii dokončí, anebo ji raději spálí. Své poznámky naštěstí do ohně nehodil a ke konci roku 1925 tak vyšla publikace, která se stala jedním ze základních pilířů teorie kvantové mechaniky (archiv dopisů je k dispozici na webu Heisenbergovy společnosti).

Na ramenou gigantů
První důležité dílky do mozaiky příběhu o zrodu kvantové fyziky dosadili na začátku 20. století fyzici, jako byli Albert Einstein či Max Planck, který termín kvantum (nejmenší nedělitelné množství určité veličiny, například foton je kvantum světla) zavedl v roce 1900. Zabývali se zvláštnostmi světla a postupně odhalovali zákonitosti atomů a elektronů.

Důležitou postavou pro další rozvoj oboru byl dánský vědec Niels Bohr. Nejenže přišel v roce 1913 s modelem atomu, ale také po první světové válce poskytl v Kodani vědecký azyl mnoha německým fyzikům a vytvořil z dánské metropole hlavní město kvantové fyziky té doby.

 
Dánský vědec Niels Bohr

Okolo tohoto oboru se točilo velké množství zvídavých studentů – v němčině se mu dokonce přezdívalo Knabenphysik, tedy něco jako fyzika mladých hochů. Zájem o ni ale měly i dívky, jenže prosadit se v mužském světě pro ně vůbec nebylo snadné. Musely si vyvzdorovat studium i následné uplatnění. Mnohé z nich upadly v zapomnění, přestože prováděly důležité výpočty a navrhovaly smělé teorie podobně jako „kluci“.

Letos v červnu při příležitosti stého výročí kvantovky vydalo nakladatelství Cambridge University Press knihu Women in the History of Quantum Physics. Beyond Knabenphysik, ve které představuje 16 pozoruhodných kvantových fyziček, mezi jinými Johannu van Leeuwen, Lauru Chalk Rowles nebo Elizabeth Monroe Boggs. Medailonky některých z nich si můžete přečíst (anglicky) na webu Quantum2025.org.

O co vlastně jde?
„Kvantová divnost dominovala celému mému životu fyzika,“ říká nobelista Alain Aspect, který byl v roce 2024 hostem pražského festivalu Sounds of Science a také pořadu Hydepark civilizace. Jevy, které popisujeme kvantovou mechanikou, jsou podle něho skutečně bizarní, ale nejde o žádná kouzla, všechny se dají změřit a matematicky popsat.

Jedním konceptem je dualita vlny a částice, kterou rozvíjel už Albert Einstein. To on již v roce 1905 vědce vyzýval, ať přijmou světlo zároveň jako vlnu i částici. Další zvláštností je kvantové provázání, při kterém stav jedné částice ovlivňuje druhou bez ohledu na jejich vzdálenost. Uvádí se to na příkladu páru magických kostek. Když jsou provázané, obě ukážou šestku, i když padnou kus od sebe.

VLQ, první český kvantový počítač, byl spuštěn v říjnu v národním superpočítačovém centru IT4Innovations.

Schrödingerova kočka
Slyšel o ní skoro každý a kdo ne, ten se o ní dřív nebo později dozví. „Při přednáškách pro veřejnost se na ni ptám. Z celého sálu se mi hlásí les rukou od desetiletých dětí po seniory. Schrödingerova kočka se stala v podstatě součástí popkultury,“ říká popularizátor kvantové vědy Martin Friák z Ústavu fyziky materiálů AV ČR.

Jinou záležitostí je, jestli všichni rozumějí, o co jde. O osudu kočky v krabici rozhoduje kvantový systém v superpozici dvou stavů, kdy jeden vede ke smrti, druhý nikoli. Její stav zjistíme otevřením víka. Je ale třeba si uvědomit, že jde o „myšlenkový experiment“, jenž má ukázat, že uplatnění kvantové teorie na velký objekt typu domácího zvířete by vedlo k paradoxům, jako je kočka, která je živá i mrtvá zároveň. Což samozřejmě v reálném světě není možné.

„Kvantovka lidi hodně zajímá. Třeba jak kvantové počítače zamávají s kryptoměnami. Najde-li se vhodný kvantový algoritmus, mohl by urychlit jejich těžbu, určitě ale bude nutné přizpůsobit zabezpečení hardwarových peněženek, aby nebyly snadno dešifrovatelné,“ tvrdí Martin Friák.

Zachrání nás kvantový počítač?
Vypadá jinak než klasický počítač a funguje na odlišných principech. Dosavadní výpočetní technika pracuje s informační jednotkou bit, která může být buď jedničkou, nebo nulou. Zato kvantový počítač používá qubity, jež můžou existovat v lineární superpozici nuly a jedničky. Díky tomu excelují v některých oblastech, třeba v hledání prvočísel.

 
O výzkumu Martina Friáka z Ústavu fyziky materiálů AV ČR, nositele Akademické prémie, si můžete přečíst v A / Magazínu. (CC)

„Ne nadarmo se o ně kvůli šifrování enormně zajímají vlády a tajné služby,“ říká materiálový fyzik Martin Friák a dodává: „Na druhou stranu pořád jsme ještě ve fázi, kdy teprve hledáme kvantovou výpočetní výhodu proti normálním superpočítačům.“ Podle některých předpokladů by mohly být kvantové počítače užitečné při vývoji nových léků na rakovinu a různá vzácná onemocnění nebo přispět k řešení klimatické krize.

A co kvantový počítač v Česku? Ještě nedávno to znělo jako pohádka, dnes mají naši vědci a vědkyně možnost připojit se hned ke dvěma výpočetním kapacitám. Letos v září se v ostravském výzkumném středisku IT4Innovations spustil dlouho očekávaný kvantový počítač VLQ s kapacitou 24 qubitů. V tomto roce zároveň vznikla platforma Kvantového inovačního centra sdružující vzdělávací a výzkumné instituce včetně Akademie věd ČR, která umožňuje napojení na velmi výkonné kvantové počítače americké firmy IBM se 133 qubity.

Pokud vás téma zaujalo, podívejte se na přednášku Martina Friáka z festivalu Týden Akademie věd na téma Kvantové počítače – naděje i hrozba: 

Článek vyšel pod názvem 100 let teorie divnosti v  A / Easy 2/2025:

2/2025 (verze k listování)
2/2025 (verze ke stažení)

Časopis A / Easy vydává Akademie věd ČR. Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

Text: Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR; IT4Innovations

Text a fotografie označená CC jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Když má láska jméno cold spray. S Janem Čížkem o týmu se světovými výsledky
• Vítr v roli uklízeče aneb Jak vyfoukat špínu z našich měst
• Když má kov pamatováka aneb Češi na špici ve výzkumu slitin s tvarovou pamětí
• Pomohou kvantové počítače překonat hranice současné výpočetní technologie?
• Ochočené světlo: Nové mikroskopy proniknou do dříve netušených hloubek
• Deformace silou magnetu. Unikátní spektroskopie odhalila vlastnosti slitiny
• Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu
• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů