Kvantové triky s nanokuličkami. Kredit: Lorenzo Dania / ETH Zürich.

Představte si tři nanokuličky ze skla o průměru 120 nanometrů. Nalepené na sobě, jako by to byla nanozmrzlina se třemi kopečky. Martin Frimmer ze švýcarského ETH Zürich a jeho tým vytvořili optickou soustavu s lasery, která dokáže s nanozmrzlinou levitovat.

Takový nanoobjekt je sice z našeho pohledu nepatrný, ale stále obsahuje stovky a stovky milionů atomů a kvantová mechanika ho vnímá jako naprosto gigantický. Jde o významný úspěch kvantové optomechaniky, na který může navázat vývoj kvantových senzorů a kvantových počítačů, což jsou momentálně nejvíce slibné směry vývoje kvantových technologií.

Lorenzo Dania. Kredit: ETH Zürich.

Framer a jeho kolegové v rámci svého experimentu s levitací nanozmrzliny dokázali eliminovat působení gravitace na skleněné nanosféry. Přesto se ale nanozmrzlina třásla, podobně jako když se chvěje střelka kompasu, když se má ustálit a ukázat na sever.

Casimirův jev je legendárním projevem kvantových fluktuací. Kredit: Emok, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

V případě nanozmrzliny bylo chvění extrémně rychlé, ale současně velmi slabé. Šlo o zhruba milion kmitů za sekundu, ale výchylky představovaly jen pár tisícin stupně. Říká se tomu fluktuace nulového bodu, které vyjadřují kvantový pohyb všech objektů.

Jako připomíná první autor studie Lorenzo Dania, podle kvantové mechaniky vlastně žádný objekt není úplně v klidu, kvůli Heisenbergovu principu neurčitosti, virtuálním částicím a podobným kvantovým trikům. Čím větší a těžší nějaký objekt je, tím méně výrazné jsou fluktuace kvantového bodu a tím obtížnější je jejich pozorování.

Jenomže, na ETH Zürich nejsou žádná ořezávátka. Jako prvním se jim povedlo detekovat fluktuace kvantového bodu u objektu jako jsou jejich nanokuličky. Dosáhli toho tím, že do značné míry eliminovali pohyby generované klasickou fyzikou, které za normálních okolností naprosto překrývají kvantové hemžení.

Badatelé spočítali, že v jejich experimentu asi 92 procent pozorovaných pohybů nanokuliček připadlo na kvantovou mechaniku a jen 8 procent na klasickou fyziku. Pochvalují si to jako vysokou úroveň „kvantové čistoty“ (quantum purity), kterou neočekávali.

Asi nejlepší ale asi je, že tohle všechno zvládli za pokojové teploty. Podobné kvantové experimenty přitom obvykle vyžadují zmrazení téměř na absolutní nulu, což je náročné jak na vybavení, tak i na energii, a především na finance, které mizí jako led v poledním Slunci. Každopádně je to slušný začátek, uvidíme, s čím se blýsknou příště.

Video: The Heisenberg Uncertainty Principle Part 2: Energy/Time and Quantum Fluctuation

Literatura

ETH Zürich 6. 8. 2025.

Nature Physics online 6. 8. 2025.