チューリヒ工科大学の研究者が遠隔地での量子力学的相関を実証

固体物理学のアンドレアス・ヴァルラフ教授が率いる研究者らは、量子力学に応じてアルバート・アインシュタインが定式化した「局所因果関係」の概念を反証するために、抜け穴のないベル・テストを実施した。 遠く離れた量子力学的な物体は、従来のシステムで可能であったよりも相互に強く相関する可能性があることを示すことで、研究者らは量子力学のさらなる裏付けを提供した。 この実験の特別な点は、研究者らが、強力な量子コンピューターを構築するための有望な候補と考えられている超伝導回路を使ってこの実験を初めて実行できたことだ。

ベル テストは、1960 年代に英国の物理学者ジョン ベルによって思考実験として最初に考案された実験設定に基づいています。 ベルは、物理学の偉人たちがすでに 1930 年代に議論していた問題を解決したいと考えていました。日常の直観に完全に反する量子力学の予測は正しいのでしょうか、それとも従来の因果関係の概念は原子の小宇宙にも当てはまるのでしょうか。アルバート・アインシュタインが信じていたように？

この疑問に答えるために、ベルは、絡み合った XNUMX つの粒子に対してランダムな測定を同時に実行し、それをベルの不等式と照合することを提案しました。 アインシュタインの局所因果関係の概念が正しい場合、これらの実験は常にベルの不等式を満たします。 対照的に、量子力学はそれを破ることを予測します。

1970年代初頭、昨年ノーベル物理学賞を受賞したジョン・フランシス・クラウザーとスチュアート・フリードマンは、初の実用的なベル・テストを実施した。 二人の研究者は実験で、ベルの不等式が実際に違反していることを証明することができました。 しかし、最初に実験を行うには、実験で特定の仮定を立てる必要がありました。 したがって、理論的には、アインシュタインが量子力学に懐疑的だったというのは依然として正しかったかもしれない。

しかし、時間の経過とともに、より多くの抜け穴が塞がれる可能性があります。 ついに 2015 年に、さまざまなグループが真に抜け穴のない最初のベル テストの実施に成功し、ついに古い論争に決着がつきました。

ヴァルラフ氏のグループは、新たな実験でこれらの結果を確認できると述べている。 ETH研究者による研究が有名な科学雑誌に掲載されました 自然 XNUMX年前の最初の確認にもかかわらず、このテーマに関する研究はまだ結論が出ていないことが示されています。 これにはいくつかの理由があります。 まず、ETHの研究者らの実験は、超伝導回路が光子やイオンなどの微視的な量子物体よりもはるかに大きいにもかかわらず、量子力学の法則に従って動作することを確認した。 超伝導材料で作られ、マイクロ波周波数で動作する数百マイクロメートルサイズの電子回路は、巨視的な量子物体と呼ばれます。

もう一つ、ベルテストには実用的な意味もあります。 「修正されたベル テストは、たとえば、情報が実際に暗号化された形式で送信されることを実証するために、暗号化に使用できます」と、ヴァルラフ氏のグループの博士課程学生であるサイモン ストルツ氏は説明します。 「私たちのアプローチを使用すると、他の実験設定で可能であるよりもはるかに効率的に、ベルの不等式が破られることを証明できます。 そのため、実用的なアプリケーションにとって特に興味深いものになります。」

したがって、実験をセットアップするときは、バランスをとることが重要です。XNUMX つの超電導回路間の距離が長くなるほど、測定に使用できる時間が長くなり、実験セットアップはより複雑になります。 これは、実験全体が絶対零度に近い真空中で行われなければならないためです。

ETHの研究者らは、抜け穴のないベルテストを成功させるための最短距離は約33メートルであると判断した。これは、光粒子が真空中でこの距離を移動するのに約110ナノ秒かかるためである。 これは、研究者が実験を行うのに要した時間より数ナノ秒長くなります。

ウォールラフ氏のチームは、ETH キャンパスの地下通路に印象的な施設を建設しました。 その両端には、超電導回路を備えたクライオスタットがあります。 これら 30 つの冷却装置は長さ 273.15 メートルのチューブで接続されており、その内部は絶対零度 (-XNUMX°C) をわずかに上回る温度まで冷却されます。

各測定の開始前に、XNUMX つの超電導回路の一方から他方にマイクロ波光子が送信され、XNUMX つの超電導回路が絡み合います。 次に、乱数発生器は、ベル テストの一部として XNUMX つの回路でどの測定を行うかを決定します。 次に、双方の測定結果を比較する。

研究者らは、XNUMX万件を超える測定値を評価した結果、この実験設定ではベルの不等式が破られることを統計的に非常に高い確実性で示した。 言い換えれば、彼らは、量子力学が巨視的な電気回路における非局所的な相関関係も許容し、その結果、超伝導回路が長距離にわたってもつれ得ることを確認したのである。 これにより、分散量子コンピューティングと量子暗号の分野で興味深い応用の可能性が開かれます。

施設の建設とテストの実施は困難であった、とウォールラフ氏は言う。 「ERC Advanced Grant からの資金提供により、1.3 年間にわたってプロジェクトに資金を提供することができました。」 実験装置全体を絶対零度に近い温度まで冷却するだけでもかなりの労力がかかります。 「私たちの機械には 14,000 トンの銅と XNUMX 本のネジがあり、物理学の知識や工学のノウハウも豊富にあります」とウォールラフ氏は言います。 同氏は、同様の方法でさらに長い距離を克服する施設を建設することは原理的には可能であると信じている。 この技術は、たとえば、超伝導量子コンピュータを長距離にわたって接続するために使用できる可能性があります。