Student World

Dvě skupiny amerických vědců v nedávných dnech nezávisle na sobě provedly fenomenální experiment. V laboratoři se jim podařilo na tisícinu vteřiny zastavit, “zakonzervovat” a znovu uvést do pohybu světelný paprsek. Tento experiment může v budoucnosti najít uplatnění při konstrukci superrychlých kvantových počítačů.
Podle kvantové teorie je světlo složeno z fotonů, částic s nulovou klidovou hmotností, které mají, stejně jako například elektron, zároveň vlnový charakter. Atom vyzáří foton, když jeden z jeho elektronů přejde z vyšší diskrétní oběžné dráhy (hladiny) na nižší: energie atomů se sníží a přebytek energie odnese právě foton.
Na zastavení světla pracovala skupina vědců pod vedením Lene Vestergaardové-Hauové na Harvardově univerzitě a tým vědců z Rowland Institute of Science vedených Ronaldem Walsworthem a Michailem Lukinem.
Experiment zastavení světla vycházel z poznatků kvantové fyziky. Zatímco neprůhledné materiály světlo zastaví a světelné záření se přemění na teplo, které unikne do okolního prostoru, průhledné materiály, jako je např. voda, sklo nebo krystaly, světelný paprsek pouze zbrzdí. Tento proces se obvykle projeví známým efektem světelného lomu, když se například tyč ponořená do vody zdá jakoby nalomená. Podobného, ovšem mnohem mocnějšího efektu využily oba vědecké týmy.
Ke zbrzdění světelného paprsku došlo pomocí atomů podchlazených par alkalických kovů. Světelný paprsek tvořený fotony se do atomového prostředí plynu “obtiskl” tak, že bylo následně možné jej obnovit v téměř nezměněné podobě.
Provedení pokusu proběhlo následovně: Nejprve bylo nutno vytvořit prostředí, které by umělo paprsek zastavit, aniž by došlo k jeho transformaci na tepelnou energii. Toto prostředí tvořil mrak atomů alkalického kovu (rubidia nebo sodíku) ochlazený na extrémně nízkou teplotu (nižší než jedna miliontina stupně nad absolutní nulou), při níž se již takřka nepohyblivé atomy pomocí magnetického pole soustředily do malé části prostoru. Aby tento prostor byl zprůhledněn, bylo použito paprsku řídicího laseru. Světelný paprsek, který následoval, tak mohl proniknout do připraveného prostředí, kde se pohyboval velmi nízkou rychlostí (asi 61 km/h), což se jevilo jako jeho zánik.
Po vypnutí řídicího laseru zásobník zneprůhledněl, přičemž v něm druhý světelný impulz zůstal na jednu milisekundu “uvězněn”. Dalo by se říci, že paprsek v tom okamžiku vskutku zmizel, ale informace o něm zůstala vepsána do kolektivního stavu vybuzených atomů. Když byl následně řídicí laser uveden do provozu, prostředí znovu zprůhlednělo, čímž se zastavený paprsek “probudil” a pokračoval v cestě. Celá operace trvala tisícinu sekundy, což, i když je to pro běžné lidské vnímání času velmi malá hodnota, znamená v kvantovém světě poměrně dlouhou dobu.
Jak jsme již předznamenali, experiment, o němž informovala všechna média, je často dáván do spojitosti s konstrukcí kvantového počítače. Tento počítač, milionkrát rychlejší než současné computery, je založen nikoli na binárním základě o hodnotách 1 nebo 0, ale na qubitech, které mohou existovat současně v obou logických stavech. Operace jsou pak prováděny s oběma hodnotami quibitu, dva quibity budou operovat se čtyřmi hodnotami, tři s osmi atd. Lineární zvyšování počtu quibitů vede k exponenciálnímu nárůstu “kvantového paralelismu”, čehož lze využít právě k řešení nesmírně složitých výpočtů ve zlomku času. Kvantový paralelismus, jenž se opírá o existenci kvantových superpozic, však nemá ve světě popsaném klasickou fyzikou obdobu. Nicméně na jeho základě, zjednodušeně řečeno, je postaven princip algoritmu kvantového počítače, sestavený v roce 1994 fyzikem Peterem Shorem z Bellových laboratoří v New Jersey.
Na cestě k sestrojení funkčního a spolehlivého kvantového počítače však stojí několik překážek. Jednou z nejzávažnějších je problém okolních vlivů. Kvantový systém, v němž proběhne výpočet, musí být, stejně jako prostředí zásobníku k zastavení světla, naprosto izolovaný od okolí. Jak toho dosáhnout? Je sice navržen způsob určitých korekcí výpočtu, které by měly korigovat okolní vlivy, ale toto řešení se zatím pohybuje pouze v teoretické rovině. Z tohoto důvodu se řada vědců shoduje, že doba, než budou kvantové počítače využitelné v praxi, zahrnuje nejméně dvě desítky let, nejdříve tedy kolem roku 2020.
Technologie zpomalení a zastavení světla, která funguje právě na kvantových principech, by mohla přispět nejen k vytvoření krátkodobé paměti kvantového počítače, ale především k realizaci kvantové komunikace. Takováto kvantová síť by mohla umožnit nesmírně rychlé přenosy dat bez možnosti jejich narušení či odposlouchávání. Následující úkol, který stojí před vědeckými týmy, zní: Naučit se skladovat světlem nesenou kvantovou informaci.

autor Jan Kapoun