Onderzoekers van ETH Zürich demonstreren kwantummechanische correlatie op afstand

Onder leiding van Andreas Wallraff, hoogleraar vaste-stoffysica, voerden de onderzoekers een Bell-test zonder mazen uit om het concept van "lokale causaliteit" te weerleggen, geformuleerd door Albert Einstein als reactie op de kwantummechanica. Door te laten zien dat kwantummechanische objecten die ver uit elkaar staan ​​sterker met elkaar gecorreleerd kunnen worden dan in conventionele systemen mogelijk is, hebben de onderzoekers een verdere bevestiging gegeven voor de kwantummechanica. Het bijzondere aan dit experiment is dat de onderzoekers het voor het eerst konden uitvoeren met behulp van supergeleidende circuits, die worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor het bouwen van krachtige kwantumcomputers.

Een Bell-test is gebaseerd op een experimentele opstelling die oorspronkelijk in de jaren zestig door de Britse natuurkundige John Bell als gedachte-experiment was bedacht. Bell wilde een vraag beantwoorden waarover de groten van de fysica al in de jaren dertig hadden gediscussieerd: kloppen de voorspellingen van de kwantummechanica, die volledig tegen de dagelijkse intuïtie indruisen, of zijn de conventionele concepten van causaliteit ook van toepassing in de atomaire microkosmos? zoals Albert Einstein geloofde?

Om deze vraag te beantwoorden, stelde Bell voor om een ​​willekeurige meting uit te voeren op twee verstrengelde deeltjes tegelijkertijd en deze te toetsen aan de ongelijkheid van Bell. Als Einsteins concept van lokale causaliteit waar is, zullen deze experimenten altijd voldoen aan de ongelijkheid van Bell. Daarentegen voorspelt de kwantummechanica dat ze het zullen schenden.

Begin jaren zeventig voerden John Francis Clauser, die vorig jaar de Nobelprijs voor natuurkunde ontving, en Stuart Freedman een eerste praktische Bell-test uit. In hun experimenten konden de twee onderzoekers bewijzen dat de ongelijkheid van Bell inderdaad wordt geschonden. Maar ze moesten bepaalde aannames maken in hun experimenten om ze in de eerste plaats te kunnen uitvoeren. Dus in theorie zou het nog steeds zo kunnen zijn dat Einstein gelijk had als hij sceptisch stond tegenover de kwantummechanica.

In de loop van de tijd zouden echter meer van deze mazen in de wet kunnen worden gedicht. Uiteindelijk slaagden verschillende groepen er in 2015 in om de eerste echt mazenvrije Bell-tests uit te voeren, waarmee het oude geschil eindelijk werd opgelost.

De groep van Wallraff zegt dat ze deze resultaten nu kunnen bevestigen met een nieuw experiment. Het werk van de ETH-onderzoekers gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift NATUUR laat zien dat het onderzoek naar dit onderwerp nog niet is afgerond, ondanks de eerste bevestiging zeven jaar geleden. Hiervoor zijn verschillende redenen. Om te beginnen bevestigt het experiment van de ETH-onderzoekers dat supergeleidende circuits ook werken volgens de wetten van de kwantummechanica, ook al zijn ze veel groter dan microscopisch kleine kwantumobjecten zoals fotonen of ionen. De elektronische circuits van enkele honderden micrometers, gemaakt van supergeleidende materialen en werkend op microgolffrequenties, worden macroscopische kwantumobjecten genoemd.

Bovendien hebben Bell-testen ook een praktische betekenis. "Modified Bell-tests kunnen bijvoorbeeld in cryptografie worden gebruikt om aan te tonen dat informatie daadwerkelijk in versleutelde vorm wordt verzonden", legt Simon Storz uit, een promovendus in de groep van Wallraff. “Met onze aanpak kunnen we veel efficiënter bewijzen dan in andere experimentele opstellingen mogelijk is dat de ongelijkheid van Bell wordt geschonden. Dat maakt het vooral interessant voor praktische toepassingen.”

Bij het opzetten van het experiment is het dus belangrijk om een ​​balans te vinden: hoe groter de afstand tussen de twee supergeleidende circuits, hoe meer tijd er beschikbaar is voor de meting – en hoe complexer de experimentele opstelling wordt. Dit komt omdat het hele experiment moet worden uitgevoerd in een vacuüm nabij het absolute nulpunt.

De ETH-onderzoekers hebben vastgesteld dat de kortste afstand waarover een succesvolle Bell-test zonder mazen in de wet kan worden uitgevoerd, ongeveer 33 meter is, aangezien het een lichtdeeltje ongeveer 110 nanoseconden kost om deze afstand in een vacuüm af te leggen. Dat is een paar nanoseconden meer dan de onderzoekers nodig hadden om het experiment uit te voeren.

Het team van Wallraff heeft een indrukwekkende faciliteit gebouwd in de ondergrondse gangen van de ETH-campus. Aan elk van de twee uiteinden bevindt zich een cryostaat met een supergeleidend circuit. Deze twee koelapparaten zijn met elkaar verbonden door een 30 meter lange buis waarvan de binnenkant wordt gekoeld tot een temperatuur net boven het absolute nulpunt (–273.15°C).

Voor aanvang van elke meting wordt een microgolffoton van een van de twee supergeleidende circuits naar het andere gestuurd, zodat de twee circuits met elkaar verstrengeld raken. Willekeurige getallengeneratoren beslissen vervolgens welke metingen op de twee circuits worden uitgevoerd als onderdeel van de Bell-test. Vervolgens worden de meetresultaten aan beide zijden vergeleken.

Na evaluatie van meer dan een miljoen metingen hebben de onderzoekers met zeer hoge statistische zekerheid aangetoond dat de ongelijkheid van Bell in deze experimentele opstelling wordt geschonden. Met andere woorden, ze hebben bevestigd dat kwantummechanica ook niet-lokale correlaties in macroscopische elektrische circuits mogelijk maakt en bijgevolg dat supergeleidende circuits over een grote afstand verstrengeld kunnen raken. Dit opent interessante mogelijke toepassingen op het gebied van gedistribueerde quantumcomputing en quantumcryptografie.

Het bouwen van de faciliteit en het uitvoeren van de test was een uitdaging, zegt Wallraff. “We hebben het project over een periode van zes jaar kunnen financieren met financiering uit een ERC Advanced Grant.” Alleen al het koelen van de hele experimentele opstelling tot een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt kost behoorlijk wat moeite. "Er zit 1.3 ton koper en 14,000 schroeven in onze machine, evenals veel natuurkundige kennis en technische kennis", zegt Wallraff. Hij denkt dat het in principe mogelijk is om op dezelfde manier voorzieningen te bouwen die nog grotere afstanden overbruggen. Deze technologie zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om supergeleidende kwantumcomputers over grote afstanden met elkaar te verbinden.