Cercetătorii ETH Zurich demonstrează corelația mecanică cuantică la distanță

Conduși de Andreas Wallraff, profesor de fizică a stării solide, cercetătorii au efectuat un test Bell fără lacune pentru a infirma conceptul de „cauzalitate locală” formulat de Albert Einstein ca răspuns la mecanica cuantică. Arătând că obiectele mecanice cuantice care sunt îndepărtate pot fi corelate mai puternic între ele decât este posibil în sistemele convenționale, cercetătorii au oferit o confirmare suplimentară pentru mecanica cuantică. Ceea ce este special la acest experiment este că cercetătorii au reușit pentru prima dată să-l efectueze folosind circuite supraconductoare, care sunt considerate a fi candidați promițători pentru construirea de computere cuantice puternice.

Un test Bell se bazează pe o configurație experimentală care a fost concepută inițial ca un experiment de gândire de către fizicianul britanic John Bell în anii 1960. Bell a vrut să rezolve o întrebare despre care marii fizici o argumentaseră deja în anii 1930: sunt corecte predicțiile mecanicii cuantice, care sunt complet contrare intuiției cotidiene, sau conceptele convenționale de cauzalitate se aplică și în microcosmosul atomic? cum credea Albert Einstein?

Pentru a răspunde la această întrebare, Bell a propus să efectueze o măsurătoare aleatorie pe două particule încurcate în același timp și să o verifice în raport cu inegalitatea lui Bell. Dacă conceptul lui Einstein de cauzalitate locală este adevărat, aceste experimente vor satisface întotdeauna inegalitatea lui Bell. În schimb, mecanica cuantică prezice că o vor încălca.

La începutul anilor 1970, John Francis Clauser, care a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică anul trecut, și Stuart Freedman au efectuat un prim test practic Bell. În experimentele lor, cei doi cercetători au reușit să demonstreze că inegalitatea lui Bell este într-adevăr încălcată. Dar au trebuit să facă anumite presupuneri în experimentele lor pentru a le putea conduce în primul rând. Deci, teoretic, s-ar fi putut încă să fie cazul că Einstein a avut dreptate să fie sceptic față de mecanica cuantică.

În timp, însă, mai multe dintre aceste lacune ar putea fi închise. În cele din urmă, în 2015, diferite grupuri au reușit să efectueze primele teste Bell fără lacune, soluționând astfel vechea dispută.

Grupul lui Wallraff spune că acum poate confirma aceste rezultate printr-un experiment nou. Lucrarea cercetătorilor ETH publicată în renumitul jurnal științific Natură arată că cercetările pe această temă nu sunt încheiate, în ciuda confirmării inițiale în urmă cu șapte ani. Există mai multe motive pentru aceasta. În primul rând, experimentul cercetătorilor ETH confirmă că și circuitele supraconductoare funcționează conform legilor mecanicii cuantice, chiar dacă sunt mult mai mari decât obiectele cuantice microscopice, cum ar fi fotonii sau ionii. Cele câteva sute de circuite electronice de dimensiuni micrometrice realizate din materiale supraconductoare și care funcționează la frecvențe ale microundelor sunt denumite obiecte cuantice macroscopice.

Pe de altă parte, testele Bell au și o semnificație practică. „Testele Bell modificate pot fi folosite în criptografie, de exemplu, pentru a demonstra că informațiile sunt transmise de fapt în formă criptată”, explică Simon Storz, doctorand în grupul lui Wallraff. „Cu abordarea noastră, putem dovedi mult mai eficient decât este posibil în alte configurații experimentale că inegalitatea lui Bell este încălcată. Acest lucru îl face deosebit de interesant pentru aplicații practice.”

Așadar, atunci când configurați experimentul, este important să găsiți un echilibru: cu cât distanța dintre cele două circuite supraconductoare este mai mare, cu atât este mai mult timp disponibil pentru măsurare - și cu atât configurația experimentală devine mai complexă. Acest lucru se datorează faptului că întregul experiment trebuie efectuat într-un vid aproape de zero absolut.

Cercetătorii ETH au stabilit că cea mai scurtă distanță pe care să se efectueze un test Bell fără lacune cu succes este de aproximativ 33 de metri, deoarece o particulă ușoară este nevoie de aproximativ 110 nanosecunde pentru a parcurge această distanță în vid. Este cu câteva nanosecunde mai mult decât le-au luat cercetătorilor pentru a efectua experimentul.

Echipa lui Wallraff a construit o instalație impresionantă în pasajele subterane ale campusului ETH. La fiecare dintre cele două capete ale sale se află un criostat care conține un circuit supraconductor. Aceste două aparate de răcire sunt conectate printr-un tub lung de 30 de metri al cărui interior este răcit la o temperatură chiar peste zero absolut (-273.15 ° C).

Înainte de începerea fiecărei măsurători, un foton de microunde este transmis de la unul dintre cele două circuite supraconductoare la celălalt, astfel încât cele două circuite să se încurce. Generatorii de numere aleatorii decid apoi ce măsurători sunt efectuate pe cele două circuite ca parte a testului Bell. În continuare, rezultatele măsurătorilor de pe ambele părți sunt comparate.

După ce au evaluat mai mult de un milion de măsurători, cercetătorii au arătat cu o certitudine statistică foarte mare că inegalitatea lui Bell este încălcată în această configurație experimentală. Cu alte cuvinte, ei au confirmat că mecanica cuantică permite, de asemenea, corelații non-locale în circuitele electrice macroscopice și, în consecință, că circuitele supraconductoare pot fi încurcate pe o distanță mare. Acest lucru deschide posibile aplicații interesante în domeniul calculului cuantic distribuit și al criptografiei cuantice.

Construirea instalației și efectuarea testului a fost o provocare, spune Wallraff. „Am reușit să finanțăm proiectul pe o perioadă de șase ani cu finanțare dintr-un grant avansat ERC.” Doar răcirea întregii configurații experimentale la o temperatură apropiată de zero absolut necesită un efort considerabil. „Există 1.3 tone de cupru și 14,000 de șuruburi în mașina noastră, precum și multe cunoștințe de fizică și de inginerie”, spune Wallraff. El crede că, în principiu, ar fi posibil să se construiască instalații care să depășească distanțe și mai mari în același mod. Această tehnologie ar putea fi folosită, de exemplu, pentru a conecta computere cuantice supraconductoare pe distanțe mari.