Článek
Když ťuknete do ladičky, tón postupně slábne, až zcela utichne. Ucho i měřicí přístroje vám řeknou totéž: zvuk doznívá plynule a bez přerušení. Kvantová fyzika ale už přes sto let tvrdí, že jde jen o zdání. Energie vibrací ubývá po nejmenších nedělitelných dávkách a poslední z nich nezeslábne, nýbrž zmizí naráz.
Teď to fyzici poprvé spatřili, přesněji řečeno zaznamenali pomocí přístrojů. Tým Amira Safavi-Naeiniho ze Stanfordovy univerzity sledoval mikroskopický vibrující prvek na čipu a v reálném čase zachytil okamžik, kdy z něj vyprchalo poslední kvantum zvuku. Studie vyšla v září v časopise Science pod prostým názvem „Kvantové skoky zvuku“.
Vibrace nezeslábla postupně k nule. V jednu chvíli ještě existovala a v následujícím okamžiku prostě zmizela.
Co je vlastně kvantum zvuku
Fyzici mu říkají fonon. Jde o nejmenší možnou porci energie, jakou může mít vibrace v pevné látce. Světlo tvoří fotony, zvuk a chvění zase fonony. Rozdíl spočívá v tom, že zatímco foton je samostatná částice světla, fonon představuje společný pohyb obrovského množství atomů kmitajících v jednom rytmu.
Myšlenka není nová. Už v roce 1907 vysvětlil Albert Einstein, proč pevné látky při nízkých teplotách přijímají teplo jinak, než předpovídala klasická fyzika. Pomohl si právě představou, že se vibrace atomů dělí na jednotlivé kvantované dávky. Jeho model pevné látky dokázal tento jev popsat jako první.
Jenže mezi „na papíře to vychází“ a „vidíme to“ leží celé století. Kvantové skoky, tedy náhlé přechody mezi energetickými hladinami, se podařilo přímo pozorovat nejprve u zachycených iontů v roce 1986 a u fotonů v roce 2007. Zvuk ale dlouho zůstával tvrdým oříškem.
Schody, nikoliv rampa
Nejlépe ten rozdíl přiblíží přirovnání ke schodům. V běžném světě připomíná energie vibrací šikmou rampu: můžete stát kdekoli mezi jejím začátkem a koncem. V kvantovém světě však jde o schodiště. Stojíte buď na prvním stupni, nebo na zemi – a mezi tím nic neexistuje. U velkých předmětů jsou jednotlivé schůdky tak titěrné a četné, že splynou a schodiště pak vypadá jako hladká rampa.
Stanfordský tým proto potřeboval objekt dostatečně malý na to, aby jednotlivé stupně vůbec rozlišil, a zároveň natolik izolovaný, aby chvění nezaniklo dříve, než ho vědci stihnou změřit. Pomocí postupů běžných při výrobě čipů proto zkonstruoval mechanický rezonátor. Je tak drobný, že se jich na jediný čip vejde celá řada. Kmitá jako miniaturní ladička a vibrace si udrží zhruba dvě milisekundy.
Zdá se to jako nepatrný zlomek času. Podle autorů by však běžná kovová ladička s obdobnou schopností udržet kmitání zněla několik hodin.
Detektor, který se dívá a neruší
Druhým dílkem skládačky byl supravodivý qubit, tedy elektrický obvod schopný uchovávat kvantovou informaci. V experimentu posloužil jako detektor. Během dvou milisekund doznívání se ho vědci několiksetkrát dotázali na jedinou věc: je v rezonátoru jeden fonon, nebo žádný?
Z řady odpovědí pak poskládali časovou osu. Po nějakou dobu qubit hlásil „jedna, jedna, jedna“ a pak najednou „nula“. Žádné postupné slábnutí. Pouze jediný skok z první energetické hladiny na nultou.
Proč se ptát tolikrát? Kvantová fyzika neumí předpovědět, kdy přesně skok nastane. Řekne jen, s jakou pravděpodobností k němu dojde během určité doby. Kdo chce tento okamžik zachytit, musí stav kontrolovat neustále dokola. Jediné měření by ukázalo buď „ještě tam je“, nebo „už je pryč“, ale nikdy by neprozradilo, kdy přesně fonon zmizel.
Nejtěžší úkol podle spoluautora Takumy Makihary představovalo propojení dlouho kmitajícího rezonátoru s qubitem tak, aby ani jeden z nich nepřišel o své křehké vlastnosti. Samotné pozorování totiž v kvantovém světě sledovaný objekt obvykle ovlivní. Kdyby qubit rezonátor „rušil“, skok by se rozmazal.
K čemu se nám nový objev vlastně hodí?
„Ukázali jsme, že se vibrující předměty mohou chovat kvantově, což je předpoklad pro mnoho operací, které vyžadují kvantové počítače a senzory,“řekl Safavi-Naeini podle shrnutí na webu ScienceDaily.
Praktických využití se nabízí hned několik. V mnoha návrzích kvantových počítačů představuje takový náhlý přechod chybu. Kdo ho dokáže zachytit v reálném čase, dokáže ji i opravit. Mechanické rezonátory jsou zároveň malé a citlivé, takže mohou posloužit jako velmi přesné senzory. Stanfordský tým už spolupracuje se skupinou Michaela Roukese z Kalifornského technologického institutu na výzkumu, zda by podobné zařízení dokázalo v buňkách odhalit a rozpoznat jednotlivé bílkoviny. Spoluautor Erik Szakiel zmiňuje i vzdálenější vizi: jemnější ovládání akustických vln by jednou mohlo zdokonalit běžnou elektroniku včetně chytrých telefonů.
Poslední tón
Upřímně mě na celé studii nejvíce baví, jak obyčejná otázka za ní stojí. Kdy přesně dozní tón? Člověk by čekal, že odpověď zná každý, kdo kdy brnkl na kytaru. A přitom bylo potřeba sto let teorie, supravodivý obvod a stovky měření, aby se ukázalo, že poslední zbytek tónu nevyhasíná plynule, ale mizí najednou.
Až příště necháte doznít struny nebo zvon, můžete si představit, co se odehrává na samém konci. Ucho slyší, jak tón slábne. Někde hluboko pod hranicí slyšitelnosti ale poslední kvantum vibrací neodchází po částech. Zmizí celé, v jediném skoku.
P.S.
Až příště brnknete na kytaru a necháte tón doznít, vzpomeňte si na ty dvě milisekundy ve Stanfordu a stovky otázek, které během nich vědci položili jedinému kvantu zvuku. Pokud vás baví, když se fyzika dá vysvětlit bez vzorců, budu rád za vaši podporu.
