ETH Zürichin tutkijat osoittavat kvanttimekaanisen korrelaation etäisyydellä

Kiinteän olomuodon fysiikan professorin Andreas Wallraffin johdolla tutkijat suorittivat porsaanreiättömän Bell-testin kumotakseen Albert Einsteinin vastauksena kvanttimekaniikkaan muotoileman "paikallisen kausaliteetin" käsitteen. Osoittamalla, että kaukana toisistaan ​​olevat kvanttimekaaniset objektit voivat korreloida keskenään vahvemmin kuin perinteisissä järjestelmissä, tutkijat ovat antaneet lisävahvistusta kvanttimekaniikkaan. Erikoista tässä kokeessa on, että tutkijat pystyivät ensimmäistä kertaa suorittamaan sen suprajohtavilla piireillä, joita pidetään lupaavina ehdokkaina tehokkaiden kvanttitietokoneiden rakentamisessa.

Bell-testi perustuu kokeelliseen järjestelyyn, jonka brittiläinen fyysikko John Bell suunnitteli alun perin ajatuskokeeksi 1960-luvulla. Bell halusi ratkaista kysymyksen, josta fysiikan suuret väittivät jo 1930-luvulla: Ovatko kvanttimekaniikan ennusteet, jotka ovat täysin vastoin jokapäiväistä intuitiota, paikkansa, vai pätevätkö perinteiset kausaalisuuden käsitteet myös atomimikrokosmuksessa? kuten Albert Einstein uskoi?

Vastatakseen tähän kysymykseen Bell ehdotti satunnaisen mittauksen suorittamista kahdelle takertuneelle hiukkaselle samanaikaisesti ja sen tarkistamista Bellin epäyhtälöä vastaan. Jos Einsteinin käsitys paikallisesta kausaalisuudesta on totta, nämä kokeet tyydyttävät aina Bellin epätasa-arvon. Sitä vastoin kvanttimekaniikka ennustaa, että he rikkovat sitä.

1970-luvun alussa viime vuonna fysiikan Nobel-palkinnon saanut John Francis Clauser ja Stuart Freedman suorittivat ensimmäisen käytännön Bell-testin. Kokeissaan nämä kaksi tutkijaa pystyivät todistamaan, että Bellin epätasa-arvoa todellakin rikotaan. Mutta heidän täytyi tehdä tiettyjä oletuksia kokeissaan voidakseen suorittaa ne ensin. Joten teoriassa saattoi silti olla niin, että Einstein oli oikeassa suhtautuessaan skeptisesti kvanttimekaniikkaan.

Ajan myötä näitä porsaanreikiä voitaisiin kuitenkin sulkea lisää. Lopulta vuonna 2015 eri ryhmät onnistuivat suorittamaan ensimmäiset todella porsaanreiättömät Bell-testit, mikä lopulta ratkaisi vanhan kiistan.

Wallraffin ryhmä sanoo voivansa nyt vahvistaa nämä tulokset uudella kokeella. ETH:n tutkijoiden työ julkaistiin tunnetussa tieteellisessä lehdessä luonto osoittaa, että tätä aihetta koskevaa tutkimusta ei ole saatu päätökseen huolimatta seitsemän vuotta sitten tehdystä alustavasta vahvistuksesta. Tähän on useita syitä. Ensinnäkin ETH:n tutkijoiden koe vahvistaa, että suprajohtavat piirit toimivat myös kvanttimekaniikan lakien mukaan, vaikka ne ovatkin paljon suurempia kuin mikroskooppiset kvanttiobjektit, kuten fotonit tai ionit. Useiden satojen mikrometrien kokoisia suprajohtavista materiaaleista valmistettuja mikroaaltotaajuuksilla toimivia elektronisia piirejä kutsutaan makroskooppisiksi kvanttiobjekteiksi.

Toisaalta Bell-testeillä on myös käytännön merkitystä. "Modified Bell -testejä voidaan käyttää esimerkiksi kryptografiassa osoittamaan, että tiedot todella välitetään salatussa muodossa", selittää Simon Storz, tohtoriopiskelija Wallraffin ryhmästä. ”Lähestymistapallamme voimme todistaa paljon tehokkaammin kuin muissa kokeellisissa järjestelyissä on mahdollista, että Bellin epätasa-arvoa rikotaan. Tämä tekee siitä erityisen mielenkiintoisen käytännön sovelluksissa."

Joten koetta asetettaessa on tärkeää löytää tasapaino: mitä suurempi etäisyys kahden suprajohtavan piirin välillä on, sitä enemmän aikaa on käytettävissä mittaamiseen – ja sitä monimutkaisempi kokeellinen kokoonpano tulee. Tämä johtuu siitä, että koko koe on suoritettava tyhjiössä, joka on lähellä absoluuttista nollaa.

ETH-tutkijat ovat määrittäneet lyhimmän matkan, jolla onnistunut porsaanreiätön Bell-testi voidaan tehdä, noin 33 metriksi, koska valohiukkasen kulkeminen tyhjiössä kestää noin 110 nanosekuntia. Se on muutama nanosekunti enemmän kuin mitä tutkijoilta kesti kokeen suorittamiseen.

Wallraffin tiimi on rakentanut vaikuttavan rakennuksen ETH-kampuksen maanalaisiin käytäviin. Molemmissa sen kahdessa päässä on kryostaatti, joka sisältää suprajohtavan piirin. Nämä kaksi jäähdytyslaitetta on yhdistetty 30 metriä pitkällä putkella, jonka sisäpuoli jäähdytetään lämpötilaan, joka on hieman yli absoluuttisen nollan (-273.15 °C).

Ennen kunkin mittauksen aloittamista mikroaaltofotoni siirretään toisesta suprajohtavasta piiristä toiseen niin, että kaksi piiriä sotkeutuvat toisiinsa. Satunnaislukugeneraattorit päättävät sitten, mitkä mittaukset tehdään kahdelle piirille osana Bell-testiä. Seuraavaksi verrataan mittaustuloksia molemmilta puolilta.

Arvioituaan yli miljoonan mittauksen tutkijat ovat osoittaneet erittäin suurella tilastollisella varmuudella, että Bellin epätasa-arvoa rikotaan tässä kokeellisessa järjestelyssä. Toisin sanoen he ovat vahvistaneet, että kvanttimekaniikka mahdollistaa myös ei-paikalliset korrelaatiot makroskooppisissa sähköpiireissä ja näin ollen suprajohtavat piirit voivat sotkeutua suuren etäisyyden päähän. Tämä avaa mielenkiintoisia mahdollisia sovelluksia hajautetun kvanttilaskennan ja kvanttisalauksen alalla.

Tilan rakentaminen ja testin suorittaminen oli haaste, Wallraff sanoo. "Pystyimme rahoittamaan hanketta kuuden vuoden ajan ERC Advanced Grant -rahoituksella." Pelkästään koko kokeellisen järjestelmän jäähdyttäminen lämpötilaan, joka on lähellä absoluuttista nollaa, vaatii paljon vaivaa. "Koneessamme on 1.3 tonnia kuparia ja 14,000 XNUMX ruuvia sekä runsaasti fysiikan osaamista ja teknistä osaamista", Wallraff sanoo. Hän uskoo, että samalla tavalla olisi periaatteessa mahdollista rakentaa tiloja, jotka ylittävät suurempiakin etäisyyksiä. Tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää esimerkiksi suprajohtavien kvanttitietokoneiden yhdistämiseen pitkien etäisyyksien päähän.