ETH Zürichi teadlased demonstreerivad kvantmehaanilist korrelatsiooni vahemaa tagant

Tahkisfüüsika professori Andreas Wallraffi juhtimisel viisid teadlased läbi lünkadeta Belli testi, et ümber lükata Albert Einsteini vastuseks kvantmehaanikale sõnastatud „kohaliku põhjuslikkuse” kontseptsioon. Näidates, et üksteisest kaugel asuvad kvantmehaanilised objektid võivad olla üksteisega tugevamalt korrelatsioonis kui tavasüsteemides, on teadlased andnud kvantmehaanikale täiendava kinnituse. Selle katse puhul on eriline see, et teadlased suutsid seda esimest korda läbi viia ülijuhtivate ahelate abil, mida peetakse võimsate kvantarvutite ehitamisel paljulubavateks kandidaatideks.

Belli test põhineb eksperimentaalsel seadistusel, mille mõtles algselt välja Briti füüsik John Bell 1960. aastatel. Bell tahtis lahendada küsimuse, mille üle füüsika suurkujud juba 1930. aastatel vaidlesid: kas kvantmehaanika ennustused, mis on täiesti vastuolus igapäevase intuitsiooniga, on õiged või kehtivad tavapärased põhjuslikkuse mõisted ka aatomi mikrokosmoses? nagu Albert Einstein uskus?

Sellele küsimusele vastamiseks tegi Bell ettepaneku teha kahe takerdunud osakese juhuslik mõõtmine korraga ja kontrollida seda Belli ebavõrdsuse suhtes. Kui Einsteini kontseptsioon kohalikust põhjuslikkusest on tõsi, rahuldavad need katsed alati Belli ebavõrdsust. Seevastu kvantmehaanika ennustab, et nad rikuvad seda.

1970. aastate alguses viisid John Francis Clauser, kes pälvis eelmisel aastal Nobeli füüsikaauhinna, ja Stuart Freedman esimese praktilise Belli testi. Oma katsetes suutsid kaks teadlast tõestada, et Belli ebavõrdsust tõepoolest rikutakse. Kuid nad pidid oma katsetes tegema teatud eeldusi, et neid üldse läbi viia. Nii et teoreetiliselt võis ikkagi olla, et Einsteinil oli õigus kvantmehaanika suhtes skeptiline olla.

Aja jooksul võidakse neid lünki siiski sulgeda. Lõpuks, 2015. aastal õnnestus erinevatel rühmadel viia läbi esimesed tõeliselt lünkadeta Belli testid, millega sai vana vaidluse lõplikult lahendada.

Wallraffi rühm ütleb, et nad saavad nüüd neid tulemusi uudse katsega kinnitada. ETH teadlaste töö avaldati tunnustatud teadusajakirjas loodus näitab, et selleteemalised uuringud ei ole lõppenud, hoolimata esialgsest kinnitusest seitse aastat tagasi. Sellel on mitu põhjust. Esiteks kinnitab ETH teadlaste eksperiment, et ülijuhtivad ahelad toimivad ka kvantmehaanika seaduste kohaselt, kuigi need on palju suuremad kui mikroskoopilised kvantobjektid, nagu footonid või ioonid. Mitmesaja mikromeetri suurust ülijuhtivatest materjalidest valmistatud ja mikrolainesagedustel töötavat elektroonilist vooluringi nimetatakse makroskoopilisteks kvantobjektideks.

Teiseks on Belli testidel ka praktiline tähtsus. "Modifitseeritud Belli teste saab kasutada näiteks krüptograafias, et näidata, et teave edastatakse tegelikult krüpteeritud kujul," selgitab Wallraffi rühma doktorant Simon Storz. "Meie lähenemisviisiga suudame tõestada palju tõhusamalt, kui see on võimalik teistes eksperimentaalsetes seadistustes, et Belli ebavõrdsus on rikutud. See muudab selle praktiliste rakenduste jaoks eriti huvitavaks.

Seega on katse seadistamisel oluline saavutada tasakaal: mida suurem on kahe ülijuhtiva ahela vaheline kaugus, seda rohkem on mõõtmiseks aega – ja seda keerulisemaks muutub katseseadistus. Seda seetõttu, et kogu katse tuleb läbi viia absoluutse nulli lähedal vaakumis.

ETH teadlased on määranud, et lühemaks vahemaaks edukas lünkadeta Belli testiks on umbes 33 meetrit, kuna valgusosakesel kulub selle vahemaa läbimiseks vaakumis umbes 110 nanosekundit. See on paar nanosekundit rohkem, kui teadlastel katse tegemiseks kulus.

Wallraffi meeskond on ehitanud muljetavaldava rajatise ETH ülikoolilinnaku maa-alustesse koridoridesse. Selle mõlemas otsas on ülijuhtivat ahelat sisaldav krüostaat. Need kaks jahutusseadet on ühendatud 30 meetri pikkuse toruga, mille sisemus jahutatakse temperatuurini, mis on veidi üle absoluutse nulli (–273.15 °C).

Enne iga mõõtmise algust edastatakse mikrolaine footon ühest kahest ülijuhtivast ahelast teise, nii et kaks ahelat takerduvad. Seejärel otsustavad juhuslike arvude generaatorid Belli testi osana, millised mõõtmised kahes vooluringis tehakse. Järgmisena võrreldakse mõlema poole mõõtmistulemusi.

Pärast enam kui miljoni mõõtmise hindamist näitasid teadlased väga suure statistilise kindlusega, et selles eksperimentaalses seadistuses rikutakse Belli ebavõrdsust. Teisisõnu, nad on kinnitanud, et kvantmehaanika võimaldab ka mittelokaalseid korrelatsioone makroskoopilistes elektrilistes ahelates ja järelikult võib ülijuhtivaid ahelaid takerduda suure vahemaa tagant. See avab huvitavaid võimalikke rakendusi hajutatud kvantarvutuse ja kvantkrüptograafia valdkonnas.

Rajatise ehitamine ja testi läbiviimine oli väljakutse, ütleb Wallraff. "Me suutsime projekti kuue aasta jooksul rahastada ERC Advanced Grant'ist." Ainuüksi kogu eksperimentaalse seadistuse jahutamine absoluutse nulli lähedase temperatuurini nõuab märkimisväärseid jõupingutusi. "Meie masinas on 1.3 tonni vaske ja 14,000 XNUMX kruvi, samuti palju füüsikateadmisi ja inseneriteadmisi," ütleb Wallraff. Ta usub, et põhimõtteliselt oleks võimalik samamoodi ehitada rajatisi, mis ületaksid veelgi suuremaid vahemaid. Seda tehnoloogiat saab kasutada näiteks ülijuhtivate kvantarvutite ühendamiseks suurte vahemaade tagant.