ETH Zürich-forskere demonstrerer kvantemekanisk korrelation på afstand

Anført af Andreas Wallraff, professor i faststoffysik, udførte forskerne en smuthulsfri Bell-test for at modbevise begrebet "lokal kausalitet", formuleret af Albert Einstein som svar på kvantemekanikken. Ved at vise, at kvantemekaniske objekter, der er langt fra hinanden, kan være stærkere korreleret med hinanden, end det er muligt i konventionelle systemer, har forskerne givet yderligere bekræftelse for kvantemekanikken. Det særlige ved dette eksperiment er, at forskerne for første gang var i stand til at udføre det ved hjælp af superledende kredsløb, som anses for at være lovende kandidater til at bygge kraftige kvantecomputere.

En Bell-test er baseret på en eksperimentel opsætning, der oprindeligt blev udtænkt som et tankeeksperiment af den britiske fysiker John Bell i 1960'erne. Bell ønskede at afgøre et spørgsmål, som fysikkens store allerede havde diskuteret i 1930'erne: Er kvantemekanikkens forudsigelser, som strider fuldstændig mod hverdagens intuition, korrekte, eller gælder de konventionelle kausalitetsbegreber også i det atomare mikrokosmos? som Albert Einstein troede?

For at besvare dette spørgsmål foreslog Bell at udføre en tilfældig måling på to sammenfiltrede partikler på samme tid og kontrollere det mod Bells ulighed. Hvis Einsteins begreb om lokal kausalitet er sandt, vil disse eksperimenter altid tilfredsstille Bells ulighed. Derimod forudsiger kvantemekanikken, at de vil overtræde den.

I begyndelsen af ​​1970'erne gennemførte John Francis Clauser, der sidste år blev tildelt Nobelprisen i fysik, og Stuart Freedman en første praktisk Bell-test. I deres eksperimenter var de to forskere i stand til at bevise, at Bells ulighed faktisk er krænket. Men de var nødt til at gøre visse antagelser i deres eksperimenter for at kunne udføre dem i første omgang. Så teoretisk set kunne det stadig have været sådan, at Einstein havde ret i at være skeptisk over for kvantemekanik.

Med tiden kunne flere af disse smuthuller dog lukkes. Endelig, i 2015, lykkedes det forskellige grupper at udføre de første virkelig smuthullsfrie Bell-tests og dermed endelig afgøre den gamle strid.

Wallraffs gruppe siger, at de nu kan bekræfte disse resultater med et nyt eksperiment. ETH-forskernes arbejde offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Natur viser, at forskning om dette emne ikke er afsluttet, på trods af den første bekræftelse for syv år siden. Det er der flere grunde til. For det første bekræfter ETH-forskernes eksperiment, at superledende kredsløb også fungerer i henhold til kvantemekanikkens love, selvom de er meget større end mikroskopiske kvanteobjekter som fotoner eller ioner. De flere hundrede mikrometer store elektroniske kredsløb lavet af superledende materialer og drevet ved mikrobølgefrekvenser omtales som makroskopiske kvanteobjekter.

For en anden ting har Bell-tests også en praktisk betydning. "Modificerede Bell-tests kan bruges i kryptografi, for eksempel til at demonstrere, at information faktisk transmitteres i krypteret form," forklarer Simon Storz, en ph.d.-studerende i Wallraffs gruppe. "Med vores tilgang kan vi bevise meget mere effektivt, end det er muligt i andre eksperimentelle opsætninger, at Bells ulighed er krænket. Det gør det særligt interessant til praktiske anvendelser.”

Så når du opsætter eksperimentet, er det vigtigt at finde en balance: Jo større afstanden er mellem de to superledende kredsløb, jo mere tid er der til målingen – og jo mere kompleks bliver forsøgsopstillingen. Dette skyldes, at hele eksperimentet skal udføres i et vakuum nær det absolutte nul.

ETH-forskerne har bestemt, at den korteste afstand, som man kan udføre en vellykket smuthulsfri Bell-test over, er omkring 33 meter, da det tager en let partikel omkring 110 nanosekunder at rejse denne afstand i et vakuum. Det er et par nanosekunder mere, end det tog forskerne at udføre eksperimentet.

Wallraffs team har bygget et imponerende anlæg i de underjordiske gange på ETH-campus. I hver af dens to ender er en kryostat indeholdende et superledende kredsløb. Disse to køleapparater er forbundet med et 30 meter langt rør, hvis indre afkøles til en temperatur lige over det absolutte nulpunkt (–273.15°C).

Før starten af ​​hver måling transmitteres en mikrobølgefoton fra det ene af de to superledende kredsløb til det andet, så de to kredsløb bliver viklet ind. Tilfældige talgeneratorer bestemmer så, hvilke målinger der foretages på de to kredsløb som en del af Bell-testen. Dernæst sammenlignes måleresultaterne på begge sider.

Efter at have evalueret mere end en million målinger har forskerne med meget høj statistisk sikkerhed vist, at Bells ulighed er krænket i denne eksperimentelle opsætning. Med andre ord har de bekræftet, at kvantemekanikken også giver mulighed for ikke-lokale korrelationer i makroskopiske elektriske kredsløb og følgelig, at superledende kredsløb kan vikles ind over en stor afstand. Dette åbner op for interessante mulige applikationer inden for distribueret kvanteberegning og kvantekryptografi.

At bygge anlægget og udføre testen var en udfordring, siger Wallraff. "Vi var i stand til at finansiere projektet over en periode på seks år med finansiering fra et ERC Advanced Grant." Bare det kræver en betydelig indsats at afkøle hele forsøgsopstillingen til en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt. "Der er 1.3 ton kobber og 14,000 skruer i vores maskine, såvel som en stor mængde fysikviden og teknisk knowhow," siger Wallraff. Han mener, at det i princippet vil være muligt at bygge anlæg, der overkommer endnu større afstande på samme måde. Denne teknologi kan for eksempel bruges til at forbinde superledende kvantecomputere over store afstande.