الباحثون في المعهد التقني التقني في زيورخ يبرهنون على الارتباط الميكانيكي الكمي عن بعد

بقيادة أندرياس والراف ، أستاذ فيزياء الحالة الصلبة ، أجرى الباحثون اختبار بيل الخالي من الثغرات لدحض مفهوم "السببية المحلية" الذي صاغه ألبرت أينشتاين ردًا على ميكانيكا الكم. من خلال إظهار أن الأجسام الميكانيكية الكمومية المتباعدة يمكن أن تكون مرتبطة ببعضها البعض بشكل أقوى مما هو ممكن في الأنظمة التقليدية ، قدم الباحثون تأكيدًا إضافيًا لميكانيكا الكم. ما يميز هذه التجربة هو أن الباحثين تمكنوا لأول مرة من إجرائها باستخدام دوائر فائقة التوصيل ، والتي تعتبر مرشحة واعدة لبناء حواسيب كمومية قوية.

يعتمد اختبار بيل على إعداد تجريبي ابتكره الفيزيائي البريطاني جون بيل في البداية كتجربة فكرية في الستينيات. أراد بيل تسوية السؤال الذي جادل عنه عظماء الفيزياء بالفعل في ثلاثينيات القرن الماضي: هل تنبؤات ميكانيكا الكم ، التي تتعارض تمامًا مع الحدس اليومي ، صحيحة ، أو هل تنطبق المفاهيم التقليدية للسببية أيضًا في العالم الصغير الذري ، كما يعتقد ألبرت أينشتاين؟

للإجابة على هذا السؤال ، اقترح بيل إجراء قياس عشوائي على جسيمين متشابكين في نفس الوقت والتحقق من ذلك مقابل عدم مساواة بيل. إذا كان مفهوم أينشتاين للسببية المحلية صحيحًا ، فإن هذه التجارب ستُرضي دائمًا عدم مساواة بيل. على النقيض من ذلك ، تتنبأ ميكانيكا الكم بأنها ستخالفها.

في أوائل السبعينيات ، أجرى جون فرانسيس كلوزر ، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء العام الماضي ، وستيوارت فريدمان أول اختبار عملي لبيل. تمكن الباحثان من خلال تجاربهما من إثبات انتهاك عدم مساواة بيل بالفعل. لكن كان عليهم وضع افتراضات معينة في تجاربهم حتى يتمكنوا من إجرائها في المقام الأول. لذلك ، من الناحية النظرية ، ربما كان الأمر كذلك أن أينشتاين كان محقًا في تشككه في ميكانيكا الكم.

لكن بمرور الوقت ، يمكن سد المزيد من هذه الثغرات. أخيرًا ، في عام 2015 ، نجحت مجموعات مختلفة في إجراء أول اختبارات بيل الخالية من الثغرات ، وبالتالي حسم الخلاف القديم أخيرًا.

تقول مجموعة والراف إنهم يستطيعون الآن تأكيد هذه النتائج بتجربة جديدة. عمل باحثو ETH نُشر في المجلة العلمية الشهيرة الطبيعة يوضح أن البحث في هذا الموضوع لم ينته ، على الرغم من التأكيد الأولي قبل سبع سنوات. هناك عدة أسباب لذلك. لسبب واحد ، تؤكد تجربة باحثي ETH أن الدوائر فائقة التوصيل تعمل وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم أيضًا ، على الرغم من أنها أكبر بكثير من الأجسام الكمومية المجهرية مثل الفوتونات أو الأيونات. يشار إلى الدوائر الإلكترونية التي يبلغ حجمها عدة مئات من الميكرومتر والمصنوعة من مواد فائقة التوصيل وتعمل بترددات الميكروويف على أنها أجسام كمومية عيانية.

لشيء آخر ، فإن اختبارات بيل لها أيضًا أهمية عملية. يوضح سايمون ستورتس ، طالب الدكتوراه في مجموعة والراف: "يمكن استخدام اختبارات بيل المعدلة في التشفير ، على سبيل المثال ، لإثبات أن المعلومات يتم نقلها فعليًا بشكل مشفر". "من خلال نهجنا ، يمكننا أن نثبت بشكل أكثر كفاءة مما هو ممكن في الإعدادات التجريبية الأخرى أن عدم المساواة لدى بيل منتهكة. وهذا يجعلها مثيرة للاهتمام بشكل خاص للتطبيقات العملية ".

لذلك ، عند إعداد التجربة ، من المهم تحقيق توازن: فكلما زادت المسافة بين دائرتين فائقتي التوصيل ، زاد الوقت المتاح للقياس - وكلما أصبح الإعداد التجريبي أكثر تعقيدًا. هذا لأنه يجب إجراء التجربة بأكملها في فراغ قريب من الصفر المطلق.

حدد باحثو ETH أقصر مسافة يمكن خلالها إجراء اختبار بيل ناجحًا خالٍ من الثغرات بحوالي 33 مترًا ، حيث يستغرق جسيمًا ضوئيًا حوالي 110 نانوثانية لقطع هذه المسافة في فراغ. هذا أكثر بقليل من النانوثانية مما استغرقه الباحثون لإجراء التجربة.

قام فريق Wallraff ببناء منشأة رائعة في ممرات تحت الأرض في حرم ETH. في كل طرف من طرفيه يوجد ناظم البرد يحتوي على دائرة فائقة التوصيل. يتم توصيل جهازي التبريد هذين بواسطة أنبوب طوله 30 مترًا يتم تبريده من الداخل إلى درجة حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية).

قبل بدء كل قياس ، ينتقل فوتون ميكروويف من إحدى الدائرتين فائقتي التوصيل إلى الأخرى بحيث تصبح الدائرتان متشابكتين. ثم تقرر مولدات الأرقام العشوائية القياسات التي يتم إجراؤها على الدائرتين كجزء من اختبار بيل. بعد ذلك ، تتم مقارنة نتائج القياس على كلا الجانبين.

بعد تقييم أكثر من مليون قياس ، أظهر الباحثون بدرجة عالية من اليقين الإحصائي أن عدم مساواة بيل قد انتهك في هذا الإعداد التجريبي. بعبارة أخرى ، أكدوا أن ميكانيكا الكم تسمح أيضًا بوجود ارتباطات غير محلية في الدوائر الكهربائية العيانية ، وبالتالي يمكن للدوائر فائقة التوصيل أن تتشابك على مسافة كبيرة. يفتح هذا تطبيقات مثيرة للاهتمام في مجال الحوسبة الكمومية الموزعة والتشفير الكمومي.

يقول والراف إن بناء المنشأة وإجراء الاختبار كان تحديًا. "لقد تمكنا من تمويل المشروع على مدى ست سنوات بتمويل من منحة ERC المتقدمة." مجرد تبريد الإعداد التجريبي بأكمله إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق يتطلب جهدًا كبيرًا. يقول والراف: "يوجد 1.3 طن من النحاس و 14,000 برغي في أجهزتنا ، بالإضافة إلى قدر كبير من المعرفة الفيزيائية والهندسة". وهو يعتقد أنه سيكون من الممكن من حيث المبدأ بناء مرافق تتغلب على مسافات أكبر بنفس الطريقة. يمكن استخدام هذه التقنية ، على سبيل المثال ، لتوصيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل عبر مسافات كبيرة.