Az ETH zürichi kutatói kvantummechanikai korrelációt mutatnak be távolságból

Andreas Wallraff, a szilárdtestfizika professzora vezetésével a kutatók egy kiskapu nélküli Bell-tesztet végeztek, hogy megcáfolják Albert Einstein kvantummechanikára adott válaszaként megfogalmazott „helyi ok-okozati összefüggés” fogalmát. Azzal, hogy kimutatták, hogy az egymástól távol eső kvantummechanikai objektumok erősebben korrelálhatnak egymással, mint a hagyományos rendszerekben lehetséges, a kutatók további megerősítést adtak a kvantummechanikához. Ennek a kísérletnek az a különlegessége, hogy a kutatók először tudták végrehajtani szupravezető áramkörök segítségével, amelyeket ígéretes jelölteknek tartanak nagy teljesítményű kvantumszámítógépek építésére.

A Bell-teszt egy kísérleti elrendezésen alapul, amelyet eredetileg John Bell brit fizikus gondolatkísérletként dolgozott ki az 1960-as években. Bell egy olyan kérdést akart eldönteni, amelyről a fizika nagyjai már az 1930-as években vitatkoztak: helyesek-e a kvantummechanika jóslatai, amelyek teljesen ellentmondanak a mindennapi intuíciónak, vagy az oksági konvencionális fogalmak érvényesek az atomi mikrokozmoszban is? ahogy Albert Einstein hitte?

A kérdés megválaszolásához Bell azt javasolta, hogy végezzenek véletlenszerű mérést két összegabalyodott részecskén egyidejűleg, és ellenőrizzék azt Bell-egyenlőtlenséggel. Ha igaz Einstein helyi oksági felfogása, ezek a kísérletek mindig kielégítik Bell egyenlőtlenségét. Ezzel szemben a kvantummechanika azt jósolja, hogy megszegik.

Az 1970-es évek elején a tavaly fizikai Nobel-díjjal kitüntetett John Francis Clauser és Stuart Freedman elvégezték az első gyakorlati Bell-tesztet. A két kutató kísérletei során be tudta bizonyítani, hogy Bell egyenlőtlensége valóban sérül. De kísérleteik során bizonyos feltevéseket kellett megfogalmazniuk ahhoz, hogy először is végrehajthassák azokat. Tehát elméletileg még mindig úgy lehetett, hogy Einstein helyesen szkeptikus volt a kvantummechanikával szemben.

Idővel azonban több ilyen kiskapu bezárható. Végül 2015-ben a különböző csoportoknak sikerült végrehajtaniuk az első valóban kiskapu-mentes Bell-tesztet, és így végre sikerült rendezni a régi vitát.

Wallraff csoportja azt állítja, hogy most egy új kísérlettel megerősíthetik ezeket az eredményeket. Az ETH kutatóinak munkája a neves tudományos folyóiratban jelent meg Természet azt mutatja, hogy a témával kapcsolatos kutatások még nem zárultak le, a hét évvel ezelőtti kezdeti megerősítés ellenére. Ennek több oka is van. Egyrészt az ETH kutatóinak kísérlete megerősíti, hogy a szupravezető áramkörök is a kvantummechanika törvényei szerint működnek, noha sokkal nagyobbak, mint a mikroszkopikus kvantumobjektumok, például a fotonok vagy az ionok. A több száz mikrométeres, szupravezető anyagokból készült, mikrohullámú frekvencián működő elektronikus áramkört makroszkopikus kvantumobjektumnak nevezik.

Másrészt a Bell-teszteknek gyakorlati jelentősége is van. „A módosított Bell-tesztek felhasználhatók például a kriptográfiában annak bizonyítására, hogy az információkat valóban titkosított formában továbbítják” – magyarázza Simon Storz, Wallraff csoportjának doktorandusza. „A mi megközelítésünkkel sokkal hatékonyabban tudjuk bebizonyítani, hogy a Bell-féle egyenlőtlenség sérül, mint más kísérleti elrendezésekben. Ez különösen érdekessé teszi a gyakorlati alkalmazásokhoz.”

A kísérlet felállításakor tehát fontos az egyensúly megteremtése: minél nagyobb a távolság a két szupravezető áramkör között, annál több idő áll rendelkezésre a mérésre – és annál bonyolultabb a kísérleti összeállítás. Ennek az az oka, hogy az egész kísérletet az abszolút nullához közeli vákuumban kell végrehajtani.

Az ETH kutatói körülbelül 33 méternek határozták meg azt a legrövidebb távolságot, amelyen keresztül egy sikeres kiskapu-mentes Bell-tesztet végre lehet hajtani, mivel egy fényrészecskének körülbelül 110 nanoszekundum szükséges ahhoz, hogy ezt a távolságot vákuumban megtegye. Ez néhány nanomásodperccel több, mint amennyibe a kutatóknak szüksége volt a kísérlet végrehajtásához.

Wallraff csapata lenyűgöző létesítményt épített az ETH kampusz földalatti folyosóin. Mindkét végén egy-egy szupravezető áramkört tartalmazó kriosztát található. Ezt a két hűtőberendezést egy 30 méter hosszú cső köti össze, amelynek belsejét az abszolút nulla (–273.15 °C) hőmérséklet fölé hűtik.

Minden mérés megkezdése előtt mikrohullámú fotont továbbítanak a két szupravezető áramkör egyikéből a másikba, így a két áramkör összegabalyodik. A véletlenszám-generátorok ezt követően eldöntik, hogy a Bell-teszt részeként mely méréseket kell elvégezni a két áramkörön. Ezt követően a mérési eredményeket mindkét oldalon összehasonlítják.

Több mint egymillió mérés kiértékelése után a kutatók nagyon nagy statisztikai bizonyossággal kimutatták, hogy a Bell-féle egyenlőtlenség sérül ebben a kísérleti összeállításban. Más szavakkal, megerősítették, hogy a kvantummechanika nem lokális korrelációkat is lehetővé tesz a makroszkopikus elektromos áramkörökben, és ennek következtében a szupravezető áramkörök nagy távolságra is összegabalyodhatnak. Ez érdekes alkalmazási lehetőségeket nyit meg az elosztott kvantumszámítás és a kvantumkriptográfia területén.

A létesítmény felépítése és a teszt elvégzése kihívás volt, mondja Wallraff. „Hat éven keresztül tudtuk finanszírozni a projektet az ERC Advanced Grant támogatásával.” A teljes kísérleti berendezés abszolút nullához közeli hőmérsékletre hűtése jelentős erőfeszítést igényel. „1.3 tonna réz és 14,000 XNUMX csavar van a gépünkben, valamint rengeteg fizikai tudás és mérnöki know-how” – mondja Wallraff. Úgy véli, elvileg ugyanígy lehetne még nagyobb távolságokat is leküzdő létesítményeket építeni. Ezt a technológiát például szupravezető kvantumszámítógépek nagy távolságra történő összekapcsolására lehetne használni.