kvantová fyzika

Vědci z Okinawského institutu vědy a techniky zaznamenali, že kvantové spiny elektronů vyvolaly pohyb centimetrového objektu. Grafitová destička levitující nad soustavou magnetů nesla tří milimetrový diamant s defekty typu NV, jejichž spiny lze řídit laserem. Celek o hmotnosti asi 128 miligramů se posunul přibližně o 100 nanometrů. Samotný pohyb byl klasický, podnět k němu však vzešel z kvantového jevu. Experiment může přispět k budoucím pokusům o vytvoření kvantové superpozice u větších objektů a ke zkoumání vztahu kvantové mechaniky a gravitace.

Fyzici z Kjótské a Hirošimské univerzity předvedli novou metodu měření takzvaného W stavu kvantového provázání u tří fotonů. Na rozdíl od dříve běžně měřeného GHZ stavu si W stav zachovává užitečné provázání i po ztrátě jedné částice. Výzkumníci použili optický obvod s diskrétní Fourierovou transformací, který umožňuje určit stav systému jediným měřením místo náročné kvantové tomografie. Metoda správně rozlišila W stav v průměru v 87 procentech případů, tedy nad hranicí potřebnou k prokázání měření tříčásticového provázání. Výsledek může podpořit rozvoj fotonických kvantových počítačů, komunikace, senzorů a kryptografie.

Mezinárodní tým připravil krystaly diantimonidu ytterbia (YbSb2), supravodiče typu I, jenž po ochlazení téměř k absolutní nule vykazuje neobvyklé kvantové vlastnosti. Měření odhalila samovolný vznik slabých vnitřních magnetických polí po přechodu do supravodivého stavu, což naznačuje narušení symetrie obrácení času. Tento jev byl dosud spojován hlavně s nekonvenčními supravodiči typu II. Elektrony v materiálu navíc tvoří netradiční tripletové Cooperovy páry s nenulovým magnetickým momentem. YbSb2 by podle autorů mohl na povrchu hostit Majoranovy kvantové stavy a přispět k vývoji odolnějších prvků pro kvantové počítače.

Fyzikům se podařilo vytvořit kvantové provázání mezi pohybem levitující skleněné nanočástice a světlem, které opouští optickou dutinu. Částice o průměru asi 100 nanometrů byla udržována ve vakuu optickou pinzetou a její pohyb řídily dva lasery s odlišnými úlohami. Jeden její oscilace ochlazoval a stabilizoval, druhý vytvářel kvantové korelace se světlem. Výsledek je významný tím, že celé zařízení nemuselo být chlazeno na kryogenní teploty. Odcházející světlo by v budoucnu mohlo sloužit jako spojovací kanál pro kvantové sítě či propojení dalších kvantových zařízení.

Tým z Německa vytvořil dosud největší optický stav připomínající Schrödingerovu kočku, tedy kvantovou superpozici výrazně odlišných stavů světla. Využil k tomu Rydbergovy atomy s velmi vzdálenými a slabě vázanými elektrony, které silně ovlivňují své okolí. V optické dutině vědci pomocí takzvané Rydbergovy blokády nepřímo propojili dvě světelné pulzy a vytvořili superpozici světla s odlišnou fází. Naměřená velikost stavu α² dosáhla 2,4, zatímco předchozí rekord pro tento typ činil 1,4. Měření zároveň potvrdila, že i větší stavy si zachovaly kvantovou koherenci. Výsledek může pomoci zkoumat přechod mezi kvantovým a klasickým světem i zlepšit ukládání a zpracování kvantové informace; studie zatím neprošla recenzním řízením.

Fyzici poprvé přímo experimentálně ověřili, že na kvantové objekty působí Einsteinův princip ekvivalence. Pomocí nového kvantového Galileova interferometru rozdělili Boseho–Einsteinův kondenzát atomů rubidia na dvě trajektorie: jedna byla magneticky udržována na místě, druhá volně padala. Naměřený fázový posun po opětovném spojení obou stavů odpovídal předpovědím gravitace. Výsledek nesjednocuje kvantovou mechaniku s obecnou relativitou ani nedokazuje kvantovou povahu gravitace, otevírá však cestu k přesnějším testům včetně hledání gravitonů.

Tým vedený Yanshengem Zhangem z Cambridgeské univerzity poprvé přímo sledoval kvantové fluktuace v uměle vytvořeném kvantovém poli. Využil k tomu dvourozměrný Bose-Einsteinův kondenzát atomů draslíku, v němž změny spinů napodobují chování pole. Vědci nejprve nepatrné fluktuace zesílili náhlou změnou vazby mezi atomovými stavy a následně je odlišili od tepelného šumu podle jejich frekvenčního rozložení. Systém lze nastavit jako relativistické sine-Gordonovo pole a mohl by sloužit ke studiu vzniku částic, rozpadu falešného vakua či topologických defektů. Studie zatím vyšla pouze jako preprint a neprošla recenzním řízením.

NASA financuje ranou studii technologie, která by mohla rozšířit možnosti pozorování gravitačních vln v dosud obtížně dostupném pásmu mikrohertzů. Tým vedený Paulem Stankusem z Brookhaven National Laboratory chce namísto laserového spojení mezi vzdálenými sondami sledovat nepatrné zdánlivé pohyby hvězd způsobené deformací časoprostoru. Dvě nezávisle letící družice by současně zaznamenávaly jednotlivé fotony ze stejných hvězd a jejich přesné časy příjmu. Pozemní superpočítače by pak využily kvantový jev korelací fotonů k určení změn zdánlivé polohy hvězd. Devítiměsíční grant NIAC má ověřit, zda lze tento princip škálovat pro použití ve vesmíru.

Tým z Ottawské univerzity a Institutu Maxe Plancka poprvé vytvořil kvantově provázané fotony za použití slunečního světla místo výkonného laseru. Fresnelova čočka a koncentrátor soustředily sluneční záření do optického vlákna, odkud světlo dopadalo na speciální krystal. Výzkumníci se zaměřili na polarizaci fotonů, aby omezili vliv proměnlivého směru a barev přirozeného, nekoherentního světla. Vytvořené částice dosáhly asi 94 procent shody s ideálně provázaným stavem a prošly Bellovým testem. Jde zatím o důkaz principu, který by mohl časem zlevnit kvantovou komunikaci, senzory či systémy na družicích.

Nová teoretická práce naznačuje, že zrychlené rozpínání vesmíru nemusí plně vysvětlovat dosud neznámá temná energie. Fyzik Savvas Koushiappas navrhuje, že by tento jev mohl vyplývat z kvantové nejistoty při současném určování velikosti vesmíru a rychlosti jeho rozpínání. Model spojuje kosmologické měřítko s kvantovou gravitací a předpokládá, že její projevy mohou být patrné až na hranici pozorovatelného vesmíru. Alternativní varianta teorie také připouští, že vesmír nevznikl singularitou, ale odrazem po dřívější fázi smršťování. Hypotézu budou moci prověřit přesnější údaje z projektů DESI, Euclid a observatoře Vera C. Rubinové.