Kvantová fyzika má ráda pořádek
Laser je pro fyziky mimořádně užitečný právě proto, že jeho světlo je velmi dobře uspořádané. Fotony mají přesně definované vlastnosti, světelný svazek lze směrovat na malé místo a experimentátor ví s velkou přesností, co do aparatury posílá. Slunce je téměř opačný případ.
Sluneční světlo k nám přichází jako směs obrovského množství frekvencí a směrů. Je prostorově i časově nekoherentní, tedy mnohem méně uspořádané než laserový svazek. Pro experiment, který se snaží vytvářet a měřit jemné kvantové korelace, to na první pohled není právě ideální vstup. Proto se kvantově provázané fotony běžně vyrábějí pomocí laseru.
Tým vedený Chengem Li z University of Ottawa a Max Planck Institute for the Science of Light ale zkusil zjistit, zda je laser pro tento konkrétní úkol opravdu nezastupitelný.
Do laboratoře přivedli skutečné slunce
Nešlo o simulované sluneční spektrum ani lampu, která Slunce jen napodobovala. Výzkumníci použili skutečné venkovní sluneční světlo. Fresnelovou čočkou jej soustředili do speciálního skleněného koncentrátoru a následně nasměrovali do optického vlákna. Tím dostali přirozené sluneční světlo zvenčí až do laboratorní aparatury.
Ve chvíli, kdy světlo dorazilo do nelineárního krystalu, začala ta zajímavější část experimentu. Právě v takovém materiálu lze některé fotony převést do dvojic s navzájem propojenými kvantovými vlastnostmi.
Jinými slovy: vstupem bylo světlo, které vzniklo ve Slunci a cestovalo přibližně 150 milionů kilometrů k Zemi. Výstupem byly dvojice fotonů připravené pro test kvantového provázání.
Co vlastně znamená, že jsou fotony „provázané“
Kvantové provázání patří mezi pojmy, které zní mnohem tajemněji, než jak je vhodné je vysvětlovat. Dva provázané fotony mají společný kvantový stav. Když změříme určitou vlastnost jednoho, výsledky měření druhého vykazují korelace, které nelze vysvětlit jednoduchým modelem, kde by si oba fotony jen předem „nesly“ klasicky domluvené hodnoty.
Neznamená to, že jeden foton posílá druhému zprávu rychleji než světlo. Znamená to, že jejich výsledky jsou propojené způsobem, který nemá klasickou obdobu. V experimentu se tato vazba týkala polarizace, tedy orientace elektrického pole světla. A právě tady sluneční světlo překvapilo.
Výsledek se blížil ideálnímu provázanému stavu
Dvojice vytvořené ze slunečního světla vykazovaly přibližně 94procentní podobnost s ideálně provázaným kvantovým stavem. To už není jen náznak, že „něco kvantového“ v aparatuře proběhlo.
Výzkumníci navíc testovali korelace mezi oběma fotony pomocí Bellovy nerovnosti. Její porušení je jeden z nejdůležitějších způsobů, jak odlišit skutečné kvantové provázání od běžných klasických korelací. Naměřené výsledky hranici překročily.
Experiment tedy neukázal pouze to, že ze slunečního světla lze vyrobit dvojice fotonů. Ukázal, že lze vytvořit dvojice se skutečně neklasickými kvantovými korelacemi.
Proč je sluneční světlo tak problematické
Na výsledku je zajímavé hlavně to, co všechno experiment neměl pod kontrolou. Laserové světlo má obvykle velmi úzké spektrum a definovaný směr. Sluneční světlo obsahuje velké množství barev a přichází jako směs mnoha různých prostorových módů. Kdyby kvantové provázání vyžadovalo dokonale čistý a přesně připravený vstup, takový zdroj by měl být téměř nejhorší možnou volbou.
Jenže v tomto experimentu provázání nezáviselo na tom, aby všechny vstupní fotony měly téměř totožnou frekvenci nebo přicházely z přesně stejného směru. Důležitá byla především správně připravená polarizace a interakce v nelineárním krystalu.
To je důvod, proč mohl fyzikální systém vzít velmi neuspořádaný přírodní vstup a přesto na výstupu vytvořit dobře definovaný kvantový stav.
Chaos dovnitř, kvantový řád ven
Právě tenhle kontrast je možná nejzajímavější pointou celého experimentu. Veřejná představa kvantové fyziky bývá spojena s extrémní křehkostí. Stačí trochu šumu, tepla nebo nekontrolovaného prostředí a kvantový stav se rozpadne.
To je v mnoha experimentech pravda. Ne všechny kvantové jevy ale potřebují stejně dokonale připravené podmínky. Nový výsledek ukazuje, že alespoň pro tento konkrétní způsob vytváření provázaných fotonů nemusí být zdroj světla tak dokonale řízený, jak bychom intuitivně čekali.
To neznamená, že sluneční světlo je „lepší laser“. Znamená to, že některé kvantové procesy jsou vůči neuspořádanému vstupu odolnější, než se na první pohled zdá.
Slunce z kvantové laboratoře laser zatím nevyžene
Tady je zároveň důležité brzdit technologickou fantazii. Experiment je proof of concept, nikoli hotová nová platforma pro kvantový internet nebo kvantové počítače poháněné Sluncem.
Laser má řadu praktických výhod. Je stabilní, předvídatelný, snadno se zapíná a vypíná a experimentátor nad ním má mnohem větší kontrolu. Sluneční světlo se mění s počasím, polohou Slunce i atmosférou.
Také samotná produkce provázaných dvojic musí být pro praktické technologie dostatečně intenzivní a stabilní. Právě v těchto parametrech je ještě prostor pro zlepšení. Výsledek tedy neříká, že kvantové laboratoře mohou zítra vyhodit lasery a otevřít okno. Ukazuje ale, že laser není pro vznik kvantového provázání jedinou možnou cestou.
Přírodní světlo se tím dostává do úplně nové role
Sluneční světlo používáme k výrobě elektřiny, fotosyntéze, zobrazování i měření atmosféry. Teď se ukazuje, že může sloužit také jako surovina pro tvorbu specifických kvantových stavů.
To je zajímavé nejen technologicky, ale i fyzikálně. Experiment posouvá otázku od „umíme provázání vytvořit?“ k mnohem obecnější otázce: jak neuspořádaný může být vstup, než kvantový proces přestane fungovat?
Takové otázky jsou důležité pro vývoj systémů, které nebudou odkázané na dokonale izolované laboratorní podmínky. Čím robustnější kvantové technologie budou, tím větší šanci mají opustit optický stůl a fungovat v reálném světě.
Kvantová fyzika nemusí začínat dokonalým světlem
Na začátku experimentu bylo obyčejné sluneční světlo. Nebylo monochromatické, dokonale směrované ani laboratorně připravené. Přesto se z něj po průchodu správně navrženou optickou soustavou podařilo vytvořit stav, jehož korelace už klasická fyzika nedokáže popsat.
To možná není technologická revoluce na zítřek. Je to ale velmi pěkná připomínka, že kvantové jevy nejsou vyhrazené pouze dokonale sterilním laboratorním podmínkám.
Někdy může cesta ke kvantovému stavu začít něčím tak obyčejným, jako je světlo dopadající z nebe.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Optica – Generation of polarization-entangled photons from sunlight, DOI 10.1364/OPTICA.601797 [2], Optica – Researchers generate quantum entanglement using sunlight [3]. img ai generated
