Proč se částice chovají jako vlny, a přitom dopadají na jediné místo? Proč fyzici říkají „nemudruj a počítej“? Kolaps vlnové funkce patří k nejzáhadnějším jevům moderní fyziky. Nahlédněte do světa kvantových počítačů a zjistěte, proč i nejlepší vědci tápou v otázce, jak funguje realita na té nejhlubší úrovni.
Přestože qubity jsou v koherentním stavu v superpozici (tedy pokud je systém nerušen, zachovává si pravděpodobnostní vlastnosti), při čtení qubitu měříme vždy pouze jeden stav nebo druhý. Jak je to možné? Zdá se, že v okamžiku měření neurčitost zmizí a systém si „vybere“ jeden stav, což působí podivně. I když si při měření qubit vybere svůj stav jednoznačně, při opakovaném měření rozdělení výsledků odpovídá pravděpodobnostnímu stavu qubitu.
Je to podobné jako u experimentů v kvantové fyzice. Známý je dvouštěrbinový experiment, kdy vysíláme elektrony proti bariéře se dvěma štěrbinami. Klasická fyzika očekává, že bychom měli vidět výsledný obrazec jako dva osvícené pruhy, ale ve skutečnosti pozorujeme více pruhů, celý interferenční vzorec, jako by elektrony procházely jako vlna oběma štěrbinami najednou – a i za překážkou se obě procházející části vlny navzájem skládaly a rušily.
Tento obrazec vzniká vždy, ale když sledujeme jediný elektron, dopadne vždy jen na jedno místo, jako by to byla klasická částice. Zajímavé je, že místo, kam dopadne, odpovídá interferenčnímu obrazci, jako by to byla vlna – elektron může dopadnout tam, kde to rozložení procházejících vln umožňuje, a to s četností odpovídající očekávané amplitudě těchto složených vln. Přesto dopadá pouze jako jeden elektron. Jak je možné, že se jedna a tatáž věc může zároveň chovat jako vlna i jako částice? A podle čeho si elektron „vybere“, kam vlastně dopadne?
Zdá se, že si v okamžiku měření – nebo přesněji řečeno v okamžiku interakce s okolím – elektron vybere jednu z možností, kterou mu jeho vlnová funkce nabízí, ale právě jenom jednu. Tento jev se nazývá kolaps vlnové funkce a je jedním z nejvíce matoucích konceptů ve fyzice. Pokud vám to připadá zvláštní, nejste sami. Ani kvantoví fyzici sami nechápou, co se přesně děje a co to znamená. Je to jev zcela neintuitivní, dokonce do té míry, že standardní (tzv. kodaňská) interpretace kvantové fyziky popsaná fyzikem Nielsem Bohrem přistupuje k problému ve stylu „nemudruj a počítej“ (shut up and calculate). Modely kvantové fyziky fungují, jsou ověřené a vycházejí, ale je opravdu těžké pochopit, co se vlastně doopravdy odehrává a co to znamená.
To neznamená, že by fyzici nechtěli porozumět tomu, co se děje – mají na to spoustu teorií. Jejich vysvětlení někdy překračují až do úplné esoteriky, jako je teorie multiverza (many worlds interpretation) nebo představy, že právě přítomnost pozorovatele způsobuje, že se kvantový vesmír mění díky oku a mysli pozorovatele v deterministický. Tedy že pozorovatel svět svou myslí nějak sám tvoří a způsobuje, že je takový, jaký je. To jsou mezi lidmi populární interpretace, což nemění nic na tom, že nikdo opravdu neví, co se děje, jestli nám něco zásadního úplně neuniká a jestli je to vůbec možné vysvětlit.
Existuje velké množství interpretací tohoto jevu, z nichž některé byly experimentálně vyvráceny, jiné ale ne, protože nejsou testovatelné. Celé to značně komplikuje intuitivní pochopení, o co jde, proč je kvantový svět tak jiný než ten, který pozorujeme a který se zdánlivě řídí jednoduchými zákony, jako je determinismus a lokalita. V kvantovém světě se částice chovají jako vlny a zdánlivě si dělají co chtějí. Chování kvantově provázaných částic může být takzvaně nelokální, tedy prostorově oddělené částice se mohou chovat tak, že tvoří jeden systém. V kvantovém světě najdeme i jev nazývaný kvantové tunelování, kdy se částice s dostatečnou energií může vynořit za neprostupnou bariérou, kterou „prostě projde“.
V praxi to vede k tomu, že kvantová část kvantových počítačů se chová pravděpodobnostně. Výsledek každého jednoho měření je jiný, ale jejich pravděpodobnostní rozložení odpovídá očekávání. Když se používá kvantová část počítače, musí se provést velké množství měření a z něj nakonec zkonstruovat výsledek, což je jeden z faktorů, kterými se měří rychlost a výkonnost kvantových počítačů.
