ETH Zürich-forskere demonstrerer kvantemekanisk korrelasjon på avstand

Ledet av Andreas Wallraff, professor i faststofffysikk, utførte forskerne en smutthullfri Bell-test for å motbevise konseptet om "lokal kausalitet" formulert av Albert Einstein som svar på kvantemekanikk. Ved å vise at kvantemekaniske objekter som er langt fra hverandre kan være sterkere korrelert med hverandre enn det som er mulig i konvensjonelle systemer, har forskerne gitt ytterligere bekreftelse for kvantemekanikk. Det som er spesielt med dette eksperimentet er at forskerne for første gang var i stand til å utføre det ved hjelp av superledende kretser, som anses å være lovende kandidater for å bygge kraftige kvantedatamaskiner.

En Bell-test er basert på et eksperimentelt oppsett som opprinnelig ble utviklet som et tankeeksperiment av den britiske fysikeren John Bell på 1960-tallet. Bell ønsket å avgjøre et spørsmål som fysikkens store allerede hadde kranglet om på 1930-tallet: Er kvantemekanikkens spådommer, som går helt i strid med hverdagens intuisjon, korrekte, eller gjelder de konvensjonelle begrepene kausalitet også i atommikrokosmos? som Albert Einstein trodde?

For å svare på dette spørsmålet foreslo Bell å utføre en tilfeldig måling på to sammenfiltrede partikler samtidig og sjekke det mot Bells ulikhet. Hvis Einsteins konsept om lokal kausalitet er sant, vil disse eksperimentene alltid tilfredsstille Bells ulikhet. Derimot spår kvantemekanikk at de vil bryte den.

På begynnelsen av 1970-tallet gjennomførte John Francis Clauser, som ble tildelt Nobelprisen i fysikk i fjor, og Stuart Freedman en første praktisk Bell-test. I sine eksperimenter klarte de to forskerne å bevise at Bells ulikhet faktisk er krenket. Men de måtte gjøre visse antakelser i sine eksperimenter for å kunne gjennomføre dem i utgangspunktet. Så teoretisk sett kan det fortsatt ha vært slik at Einstein hadde rett i å være skeptisk til kvantemekanikk.

Over tid kan imidlertid flere av disse smutthullene lukkes. Til slutt, i 2015, lyktes forskjellige grupper i å gjennomføre de første virkelig smutthullfrie Bell-testene, og dermed endelig avgjøre den gamle tvisten.

Wallraffs gruppe sier at de nå kan bekrefte disse resultatene med et nytt eksperiment. Arbeidet til ETH-forskerne publisert i det anerkjente vitenskapelige tidsskriftet Natur viser at forskning på dette temaet ikke er avsluttet, til tross for den første bekreftelsen for syv år siden. Det er flere grunner til dette. For det første bekrefter ETH-forskernes eksperiment at superledende kretser også fungerer i henhold til kvantemekanikkens lover, selv om de er mye større enn mikroskopiske kvanteobjekter som fotoner eller ioner. De flere hundre mikrometer store elektroniske kretsene laget av superledende materialer og operert ved mikrobølgefrekvenser blir referert til som makroskopiske kvanteobjekter.

For en annen ting har Bell-tester også en praktisk betydning. "Modified Bell-tester kan brukes i kryptografi, for eksempel for å demonstrere at informasjon faktisk overføres i kryptert form," forklarer Simon Storz, doktorgradsstudent i Wallraffs gruppe. "Med vår tilnærming kan vi bevise mye mer effektivt enn det som er mulig i andre eksperimentelle oppsett at Bells ulikhet er krenket. Det gjør det spesielt interessant for praktiske bruksområder.»

Så når du setter opp eksperimentet, er det viktig å finne en balanse: Jo større avstanden er mellom de to superledende kretsene, jo mer tid er tilgjengelig for målingen – og jo mer kompleks blir eksperimentell oppsett. Dette er fordi hele eksperimentet må utføres i et vakuum nær absolutt null.

ETH-forskerne har bestemt den korteste avstanden for å utføre en vellykket smutthullfri Bell-test til å være rundt 33 meter, siden det tar en lett partikkel omtrent 110 nanosekunder å reise denne avstanden i et vakuum. Det er noen få nanosekunder mer enn det tok forskerne å utføre eksperimentet.

Wallraffs team har bygget et imponerende anlegg i de underjordiske gangene på ETH-campus. I hver av de to endene er det en kryostat som inneholder en superledende krets. Disse to kjøleapparatene er forbundet med et 30 meter langt rør hvis indre avkjøles til en temperatur like over absolutt null (–273.15 °C).

Før starten av hver måling sendes et mikrobølgefoton fra en av de to superledende kretsene til den andre slik at de to kretsene blir viklet inn. Tilfeldige tallgeneratorer bestemmer deretter hvilke målinger som gjøres på de to kretsene som en del av Bell-testen. Deretter sammenlignes måleresultatene på begge sider.

Etter å ha evaluert mer enn én million målinger, har forskerne med svært høy statistisk sikkerhet vist at Bells ulikhet brytes i dette eksperimentelle oppsettet. Med andre ord har de bekreftet at kvantemekanikk også tillater ikke-lokale korrelasjoner i makroskopiske elektriske kretser og følgelig at superledende kretser kan vikles inn over en stor avstand. Dette åpner for interessante mulige applikasjoner innen distribuert kvanteberegning og kvantekryptografi.

Å bygge anlegget og gjennomføre testen var en utfordring, sier Wallraff. "Vi var i stand til å finansiere prosjektet over en periode på seks år med finansiering fra en ERC Advanced Grant." Bare å avkjøle hele eksperimentelle oppsettet til en temperatur nær absolutt null krever betydelig innsats. "Det er 1.3 tonn kobber og 14,000 XNUMX skruer i maskinen vår, i tillegg til mye fysikkkunnskap og ingeniørkunnskap," sier Wallraff. Han mener det i utgangspunktet ville vært mulig å bygge anlegg som overvinner enda større avstander på samme måte. Denne teknologien kan for eksempel brukes til å koble sammen superledende kvantedatamaskiner over store avstander.