Kvantová superpozice 2 000 atomů. Kredit: Yaakov Fein / Universität Wien.

Kolem nás je makroskopický svět, s nímž máme poměrně důvěrnou zkušenost. Vládne tu obecná relativita, i když je to lépe patrné ve velkém kosmickém měřítku. Zato v mikrosvětě panuje kvantová mechanika a naše každodenní zkušenosti jsou tam k ničemu. Částice tam mohou být na mnoha místech zároveň, mohou se kvantově provazovat a vůbec dělat všechny ty podivné kvantové věci.

Markus Arndt. Kredit: Universität Wien.

Zatím ale není jasné, kde přesně leží hranice mezi těmito dvěma světy. A jak už to bývá, fyzici neustále po této hranici pátrají a atakují ji experimenty. Markus Arndt z Universität Wien a jeho spolupracovníci uskutečnili kvantovou superpozici, tedy současný výskyt na více místech, s masivními molekulami, které obsahovaly až 2 000 atomů. Dosavadní rekord přitom byl něco přes 800 atomů ve kvantové superpozici.

Jejich experiment byl něco jako pokročilá verze slavného dvojštěrbinového experimentu, kterým v roce 1801 Thomas Young prokázal, že světlo je vlnění. V tomto typu experimentu vychází najevo kvantová superpozice, protože jednotlivé fotony procházejí štěrbinami více různými způsoby najednou, takže jsou vlastně z našeho pohledu na více místech současně. Kvantovou superpozici ovšem nejvíce proslavila Schrödingerova kočka, která je ve svém myšlenkového experimentu zároveň živá a mrtvá, dokud se někdo nepodívá do boxu s kočkou a kvantová superpozice nezkolabuje do jednoho z těchto dvou stavů.

Simulovaný dvojštěrbinový experimentu. Kredit: Fffred / Wikimedia Commons.

Jak se zdá, kvantová superpozice funguje jenom ve kvantovém světě. Čím větší jsou objekty, tím hůře se dostávají do stavu superpozice. I v případě Schrödingerovy kočky se superpozice vlastně netýká samotné kočky, ale radioaktivního izotopu, na jehož rozpadu závisí kočičí život. Takže je na místě otázka, kde je vlastně hranice mezi kvantovou říší a říší běžné zkušenosti?

Arndtův tým se teď k hranici mezi fyzikálními říšemi zase o něco přiblížil. Ve svém vytuněném dvojštěrbinovém experimentu uvedli do stavu kvantové superpozice zatím největší molekuly v historii. Nebyly to ovšem jen tak nějaké molekuly, nýbrž molekuly speciálně navržené tak, aby byly veliké a přitom stále dostatečně stabilní na to, aby je bylo možné prohnat dvojštěrbinou v ultravysokém vakuu. Badatelé rovněž museli vyvinout nový interferometr, aby vůbec mohli odečíst výsledky experimentu.

Za své úsilí nakonec sklidili úspěch. Zmíněné molekuly se 2 tisícovkami atomů uvedli do stavu kvantové superpozice, přičemž docházelo k interferenci mezi stavy v superpozici, tak jak by mělo. Superpozici rekordního počtu atomů udrželi po dobu 7 milisekund. Experiment Arndtova týmu s velkou tlupou Schrödingerových koček posouvá hranici kvantové říše ještě blíže k našemu světu, jistě k veliké radosti fyziků. Autoři studie jsou přesvědčeni, že ještě neřekli poslední slovo. Jejich výsledky ukazují, že kvantové podivnosti fungují i ve velkých systémech atomů a badatelé hodlají pokračovat a přiblížit hranici kvantové říše makrosvětu ještě víc.

Video: Are There Many Worlds? David Deutsch in conversation with Markus Arndt


Literatura
Universität Wien 23. 9. 2019, Nature Physics online 23. 9. 2019.