Naukowcy z ETH Zurich demonstrują korelację mechaniki kwantowej na odległość

Pod kierunkiem profesora fizyki ciała stałego Andreasa Wallraffa naukowcy przeprowadzili pozbawiony luk test Bella, aby obalić koncepcję „lokalnej przyczynowości” sformułowaną przez Alberta Einsteina w odpowiedzi na mechanikę kwantową. Pokazując, że obiekty mechaniki kwantowej, które są daleko od siebie, mogą być ze sobą silniej skorelowane niż jest to możliwe w układach konwencjonalnych, naukowcy dostarczyli dalszego potwierdzenia dla mechaniki kwantowej. Wyjątkowe w tym eksperymencie jest to, że naukowcom udało się po raz pierwszy przeprowadzić go przy użyciu obwodów nadprzewodzących, które są uważane za obiecujących kandydatów do budowy potężnych komputerów kwantowych.

Test Bella opiera się na konfiguracji eksperymentalnej, która została pierwotnie opracowana jako eksperyment myślowy przez brytyjskiego fizyka Johna Bella w latach sześćdziesiątych. Bell chciał odpowiedzieć na pytanie, o które wielcy fizyki spierali się już w latach 1960. jak wierzył Albert Einstein?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, Bell zaproponował wykonanie losowego pomiaru na dwóch splątanych cząstkach w tym samym czasie i sprawdzenie go pod kątem nierówności Bella. Jeśli koncepcja lokalnej przyczynowości Einsteina jest prawdziwa, te eksperymenty zawsze spełnią nierówność Bella. Z kolei mechanika kwantowa przewiduje, że ją naruszą.

Na początku lat 1970. John Francis Clauser, który w zeszłym roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, oraz Stuart Freedman przeprowadzili pierwszy praktyczny test Bella. W swoich eksperymentach obaj badacze byli w stanie udowodnić, że nierówność Bella jest rzeczywiście naruszona. Ale musieli przyjąć pewne założenia w swoich eksperymentach, aby móc je w ogóle przeprowadzić. Tak więc, teoretycznie, nadal mogło być tak, że Einstein miał rację, będąc sceptycznym wobec mechaniki kwantowej.

Jednak z biegiem czasu można by zlikwidować więcej tych luk. Wreszcie w 2015 r. różnym grupom udało się przeprowadzić pierwsze prawdziwie wolne od luk testy Bella, ostatecznie rozstrzygając w ten sposób stary spór.

Grupa Wallraff twierdzi, że może teraz potwierdzić te wyniki za pomocą nowatorskiego eksperymentu. Praca badaczy ETH opublikowana w renomowanym czasopiśmie naukowym Natura pokazuje, że badania na ten temat nie są zakończone, pomimo wstępnego potwierdzenia siedem lat temu. Jest tego kilka powodów. Po pierwsze, eksperyment badaczy ETH potwierdza, że ​​obwody nadprzewodzące działają również zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, mimo że są znacznie większe niż mikroskopijne obiekty kwantowe, takie jak fotony czy jony. Obwody elektroniczne o wielkości kilkuset mikrometrów, wykonane z materiałów nadprzewodzących i działające na częstotliwościach mikrofalowych, nazywane są makroskopowymi obiektami kwantowymi.

Po drugie, testy Bella mają również znaczenie praktyczne. „Zmodyfikowane testy Bella można wykorzystać w kryptografii, na przykład do wykazania, że ​​informacje są faktycznie przesyłane w postaci zaszyfrowanej” — wyjaśnia Simon Storz, doktorant z grupy Wallraffa. „Dzięki naszemu podejściu możemy znacznie skuteczniej niż jest to możliwe w innych konfiguracjach eksperymentalnych udowodnić, że naruszona jest nierówność Bella. To czyni go szczególnie interesującym w zastosowaniach praktycznych”.

Tak więc podczas przygotowywania eksperymentu ważne jest, aby zachować równowagę: im większa odległość między dwoma obwodami nadprzewodzącymi, tym więcej czasu jest dostępne na pomiar – i tym bardziej złożony staje się układ eksperymentalny. Dzieje się tak dlatego, że cały eksperyment musi być przeprowadzony w próżni bliskiej zeru absolutnemu.

Badacze ETH ustalili, że najkrótsza odległość, na której można przeprowadzić udany test Bella bez luk, wynosi około 33 metrów, ponieważ cząsteczka światła potrzebuje około 110 nanosekund, aby przebyć tę odległość w próżni. To o kilka nanosekund więcej, niż zajęło naukowcom przeprowadzenie eksperymentu.

Zespół Wallraffa zbudował imponujący obiekt w podziemnych przejściach kampusu ETH. Na każdym z jego dwóch końców znajduje się kriostat zawierający obwód nadprzewodzący. Te dwa urządzenia chłodzące są połączone 30-metrową rurą, której wnętrze jest schładzane do temperatury nieco powyżej zera bezwzględnego (–273.15°C).

Przed rozpoczęciem każdego pomiaru foton mikrofalowy jest przesyłany z jednego z dwóch obwodów nadprzewodzących do drugiego, tak że oba obwody ulegają splątaniu. Generatory liczb losowych decydują następnie, które pomiary zostaną wykonane w dwóch obwodach w ramach testu Bella. Następnie porównuje się wyniki pomiarów po obu stronach.

Po ocenie ponad miliona pomiarów naukowcy wykazali z bardzo dużą statystyczną pewnością, że nierówność Bella jest naruszona w tym układzie eksperymentalnym. Innymi słowy, potwierdzili, że mechanika kwantowa dopuszcza również nielokalne korelacje w makroskopowych obwodach elektrycznych, a co za tym idzie, że obwody nadprzewodzące mogą być splątane na duże odległości. Otwiera to interesujące możliwe zastosowania w dziedzinie rozproszonych obliczeń kwantowych i kryptografii kwantowej.

Budowa obiektu i przeprowadzenie testu było wyzwaniem, mówi Wallraff. „Byliśmy w stanie finansować projekt przez okres sześciu lat dzięki dofinansowaniu z grantu ERBN dla zaawansowanych”. Samo schłodzenie całego układu eksperymentalnego do temperatury bliskiej zeru absolutnemu wymaga znacznego wysiłku. „Nasza maszyna zawiera 1.3 tony miedzi i 14,000 XNUMX śrub, a także ogromną wiedzę z zakresu fizyki i inżynierii”, mówi Wallraff. Uważa, że ​​w zasadzie dałoby się budować obiekty, które w ten sam sposób pokonują jeszcze większe odległości. Technologię tę można na przykład wykorzystać do łączenia nadprzewodzących komputerów kwantowych na duże odległości.