חוקרי ETH ציריך מדגימים מתאם מכאני קוונטי במרחק

בהובלת אנדריאס וולרף, פרופסור לפיזיקה של מצב מוצק, ביצעו החוקרים מבחן בל ללא פרצות כדי להפריך את המושג "סיבתיות מקומית" שנוסח על ידי אלברט איינשטיין בתגובה למכניקת הקוונטים. החוקרים סיפקו אישור נוסף למכניקת הקוונטים על ידי מראה שאובייקטים מכאניים קוונטיים המרוחקים זה מזה יכולים להיות מתואם חזק יותר זה עם זה מאשר אפשרי במערכות קונבנציונליות. מה שמיוחד בניסוי הזה הוא שהחוקרים הצליחו לראשונה לבצע אותו באמצעות מעגלים מוליכים, הנחשבים למועמדים מבטיחים לבניית מחשבים קוונטיים רבי עוצמה.

מבחן בל מבוסס על מערך ניסוי שהוקם בתחילה כניסוי מחשבתי על ידי הפיזיקאי הבריטי ג'ון בל בשנות ה-1960. בל רצה ליישב שאלה שגדולי הפיזיקה התווכחו עליה כבר בשנות ה-1930: האם התחזיות של מכניקת הקוונטים, המנוגדות לחלוטין לאינטואיציה היומיומית, נכונות, או שהמושגים המקובלים של סיבתיות חלים גם במיקרוקוסמוס האטומי? כפי שהאמין אלברט איינשטיין?

כדי לענות על שאלה זו, הציע בל לבצע מדידה אקראית בשני חלקיקים סבוכים בו זמנית ולבדוק זאת מול אי השוויון של בל. אם תפיסת הסיבתיות המקומית של איינשטיין נכונה, הניסויים האלה תמיד יספקו את אי השוויון של בל. לעומת זאת, מכניקת הקוונטים חוזה שהיא תפר אותה.

בתחילת שנות ה-1970, ג'ון פרנסיס קלוזר, שזכה בפרס נובל לפיזיקה בשנה שעברה, וסטיוארט פרידמן ביצעו מבחן מעשי ראשון ראשון. בניסויים שלהם הצליחו שני החוקרים להוכיח שאי השוויון של בל אכן מופר. אבל הם היו צריכים להניח הנחות מסוימות בניסויים שלהם כדי להיות מסוגלים לבצע אותם מלכתחילה. אז, תיאורטית, ייתכן שעדיין היה המצב שאיינשטיין צדק בספקנות לגבי מכניקת הקוונטים.

עם זאת, עם הזמן, יותר מהפרצות הללו עלולות להיסגר. לבסוף, בשנת 2015, הצליחו קבוצות שונות לערוך את מבחני Bell הראשונים באמת נטולי פרצות, ובכך ליישב סופית את המחלוקת הישנה.

הקבוצה של וולרף אומרת שהם יכולים כעת לאשר את התוצאות הללו באמצעות ניסוי חדשני. עבודתם של חוקרי ה-ETH שפורסמה בכתב העת המדעי הנודע טבע מראה שמחקר בנושא זה לא הסתיים, למרות האישור הראשוני לפני שבע שנים. יש לכך מספר סיבות. ראשית, הניסוי של חוקרי ה-ETH מאשר שמעגלים מוליכים-על פועלים גם על פי חוקי מכניקת הקוונטים, למרות שהם הרבה יותר גדולים מחפצים קוונטיים מיקרוסקופיים כמו פוטונים או יונים. המעגלים האלקטרוניים בגודל של כמה מאות מיקרומטרים העשויים מחומרים מוליכים-על ומופעלים בתדרי מיקרוגל מכונים עצמים קוונטיים מקרוסקופיים.

דבר נוסף, למבחני בל יש גם משמעות מעשית. "ניתן להשתמש במבחני פעמון מתוקנים בהצפנה, למשל, כדי להדגים שמידע מועבר למעשה בצורה מוצפנת", מסביר סיימון סטורז, דוקטורנט בקבוצתו של וולרף. "עם הגישה שלנו, אנחנו יכולים להוכיח בצורה יעילה הרבה יותר ממה שאפשר במערכים ניסויים אחרים שאי השוויון של בל מופר. זה הופך אותו למעניין במיוחד עבור יישומים מעשיים."

לכן, בעת הגדרת הניסוי, חשוב להגיע לאיזון: ככל שהמרחק בין שני המעגלים המוליכים גדול יותר, כך יש יותר זמן זמין למדידה - וככל שמערך הניסוי הופך מורכב יותר. הסיבה לכך היא שכל הניסוי חייב להתבצע בוואקום ליד האפס המוחלט.

חוקרי ה-ETH קבעו את המרחק הקצר ביותר שבו ניתן לבצע בדיקת Bell מוצלחת ללא פרצות להיות בסביבות 33 מטרים, מכיוון שלוקח לחלקיק קל כ-110 ננו-שניות לעבור את המרחק הזה בוואקום. זה כמה ננו-שניות יותר ממה שלקח לחוקרים לבצע את הניסוי.

הצוות של וולרף בנה מתקן מרשים במעברים התת-קרקעיים של קמפוס ETH. בכל אחד משני הקצוות שלו מצוי קריוסטט המכיל מעגל מוליך-על. שני מכשירי הקירור הללו מחוברים באמצעות צינור באורך 30 מטר שחלקו הפנימי מקורר לטמפרטורה מעט מעל האפס המוחלט (-273.15 מעלות צלזיוס).

לפני תחילת כל מדידה, פוטון מיקרוגל מועבר מאחד משני המעגלים המוליכים על השני, כך ששני המעגלים מסתבכים. לאחר מכן מחליטים מחוללי מספרים אקראיים אילו מדידות מתבצעות בשני המעגלים כחלק מבדיקת Bell. לאחר מכן, תוצאות המדידה משני הצדדים מושוות.

לאחר הערכת יותר ממיליון מדידות, החוקרים הראו בוודאות סטטיסטית גבוהה מאוד שאי השוויון של בל מופר במערך הניסוי הזה. במילים אחרות, הם אישרו שמכניקת הקוונטים מאפשרת גם מתאמים לא-מקומיים במעגלים חשמליים מאקרוסקופיים, וכתוצאה מכך שניתן להסתבך במעגלים מוליכים למרחק גדול. זה פותח יישומים אפשריים מעניינים בתחום מחשוב קוונטי מבוזר והצפנה קוונטית.

בניית המתקן וביצוע הבדיקה היו אתגר, אומר וולרף. "הצלחנו לממן את הפרויקט על פני תקופה של שש שנים עם מימון ממענק מתקדם של ERC." רק קירור כל מערך הניסוי לטמפרטורה קרובה לאפס מוחלט דורש מאמץ ניכר. "יש 1.3 טון של נחושת ו-14,000 ברגים במכונה שלנו, כמו גם ידע רב בפיזיקה וידע הנדסי", אומר וולרף. הוא סבור שבאופן עקרוני ניתן יהיה לבנות באותו אופן מתקנים שמתגברים על מרחקים גדולים עוד יותר. טכנולוגיה זו יכולה לשמש, למשל, לחיבור מחשבים קוונטיים מוליכים על פני מרחקים גדולים.