Kvantová fyzika je mimoriadne fascinujúca oblasť fyziky!

Jej fascinácia ma chytila za srdce pred mnohými rokmi, keď som ako veľmi mladý inžinier začal pracovať v atómke Jaslovské Bohunice. Už na vysokej škole som mal aj predmet atómovú fyziku, ale vtedy som sa jej ešte nezačal venovať.

Teoretický úvod do kvantovej fyziky možno začať hoci aj nasledovne:

Kvantovú fyziku si možno predstaviť ako mysterióznu „hru“, ktorá má úplne vlastné pravidlá, neobyčajne zvláštne a celkom špecifické a ktorá sa odohráva na mikroskopickej úrovni, t. j. s atómami a subatomárnymi časticami, ako sú elektróny a kvarky.

V makrosvete tieto jej pravidlá  a či zákonitosti nemajú nijaké opodstatnenie. Ale napriek tomu sú kvanty a ich čudesná „hra“ základom jeho existencie a jeho kreativity.

Dôkladná znalosť týchto zvláštnych pravidiel nám umožňuje študovať a analyzovať, ako sa tieto nepredstaviteľne drobné častice správajú a ako interagujú s energiou a aj navzájom spolu.

Je potrebné zdôrazniť, že kvantová fyzika je zásadne odlišná od fyziky (čo však prezrádza už to, že svoju „hru“  hrá podľa vlastných len pre ňu platných pravidiel), ktorú poznáme v našom každodennom živote.

Tou je klasická tradičná newtonovská fyzika, ktorá popisuje  fenomény ako pohyb, rýchlosť, zotrvačnosť, gravitácia, atď.

Základné pojmy kvantovej fyziky:

1. Kvantové stavy: Každá častica môže existovať v rôznych stavoch, ktoré sú matematicky opísané vlnovými funkciami.

2. Superpozícia: Častica môže byť v superpozícii stavov, kým nie je zmeraná. Je to ako minca ukazujúca a či zobrazujúca súčasne dva stavy, a to dovtedy kým ju nechytíte do ruky a pozriete na ňu. V tom momente existuje len jeden stav – tá strana mince, na ktorú pozeráte.  

3. Previazanie: Častice môžu byť navzájom spojené bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba. Ak sa zmení stav jednej, potom sa zmení aj stav druhej, a to okamžite – v nulovom čase! Je to akoby ich spájala akási neviditeľná niť.  

4. Princíp neistoty: Čím presnejšie poznáte polohu častice, tým menej presne môžete určiť jej hybnosť (a naopak). Je to ako snažiť sa balansovať na vratkej stoličke.

Kvantová fyzika nie je len teoretický konštrukt, má  samozrejme aj konkrétne reálne využitie. Je základom pre technológie, ako sú počítačové čipy, lasery a dokonca aj lekárske prístroje.

Previazanie je jedným z najfascinujúcejších a najzáhadnejších javov v kvantovej fyzike.

Predstavte si, že máte dve rôzne hracie karty, jedna je eso a druhá dáma. Každú z nich vložíte do dvoch rôznych obálok bez toho, aby ste sa pozreli, ktorá je v ktorej obálke. Teraz dáte jednu obálku priateľovi, ktorý cestuje ďaleko, veľmi ďaleko, hoci aj na opačný koniec sveta (prípadne až na Mesiac) a druhú obálku si necháte.

Keď otvoríte obálku a nájdete eso, okamžite viete, že váš priateľ má v obálke dámu. A viete to bez toho, aby ste museli komunikovať. Je to do istej miery ako kvantové previazanie, no v kvantovom svete je to ešte „trochu“ komplikovanejšie.

Čo sa ale fyzikálne stane, keď dôjde k previazaniu?

1. Generovanie: Dve alebo viac častíc sa vytvorí v procese, ktorý ich spája (previazanie)

2. Superpozícia: Každá previazaná častica je v stave superpozície, čo znamená, že jej vlastnosti (ako spin, polarizácia atď.) nie sú fixné.

3. Meranie: Ak zmeriate vlastnosť (napr. rotáciu) častice (inými slovami: keď ju pozorujete), tak okamžite nadobudne určitý konkrétny stav (napr. „spin up“).

4. Okamžitá korelácia: Súčasne a okamžite druhá častica, bez ohľadu na to, ako ďaleko je, prevezme zodpovedajúci stav (v tomto prípade "spin down").

Čím je previazanie kvantov take výnimočné?

Zvláštnosťou previazania je, že meranie jednej častice okamžite určí stav druhej častice, bez ohľadu na vzdialenosť medzi nimi. Zmena stavu druhej častice prebehne určite rýchlejšie, ako je rýchlosť svetla, čo je podľa Einsteinovej teórie relativity najvyššia rýchlosť vo vesmíre. Einstein tento proces nazval „strašidelnou akciou na diaľku“.

Aplikácie:

Previazanie nachádza praktické využitie napríklad v kvantových výpočtoch a kvantovej kryptografii. Napríklad previazané častice môžu byť použité na mimoriadne bezpečné spôsoby komunikácie, pretože akékoľvek narušenie ich previazania sa okamžite zistí.