Raziskovalci ETH Zurich demonstrirajo kvantno mehansko korelacijo na daljavo

Pod vodstvom Andreasa Wallraffa, profesorja fizike trdne snovi, so raziskovalci izvedli Bellov test brez zank, da bi ovrgli koncept »lokalne vzročnosti«, ki ga je oblikoval Albert Einstein kot odgovor na kvantno mehaniko. S prikazom, da so lahko kvantnomehanski objekti, ki so daleč narazen, močneje povezani med seboj, kot je to mogoče v običajnih sistemih, so raziskovalci zagotovili nadaljnjo potrditev kvantne mehanike. Posebnost tega eksperimenta je, da so ga raziskovalci lahko prvič izvedli s pomočjo superprevodnih vezij, ki veljajo za obetavne kandidate za izdelavo močnih kvantnih računalnikov.

Bellov test temelji na eksperimentalni postavitvi, ki jo je britanski fizik John Bell prvotno zasnoval kot miselni eksperiment v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Bell je želel razrešiti vprašanje, o katerem so se velikani fizike prepirali že v tridesetih letih prejšnjega stoletja: ali so napovedi kvantne mehanike, ki so popolnoma v nasprotju z vsakodnevno intuicijo, pravilne, ali pa konvencionalni koncepti vzročnosti veljajo tudi v atomskem mikrokozmosu, kot je verjel Albert Einstein?

Da bi odgovoril na to vprašanje, je Bell predlagal izvedbo naključne meritve na dveh zapletenih delcih hkrati in jo preveril glede na Bellovo neenakost. Če je Einsteinov koncept lokalne vzročnosti resničen, bodo ti poskusi vedno zadostili Bellovi neenakosti. Nasprotno pa kvantna mehanika napoveduje, da jo bodo kršili.

V zgodnjih sedemdesetih sta John Francis Clauser, ki je lani prejel Nobelovo nagrado za fiziko, in Stuart Freedman izvedla prvi praktični Bellov test. V svojih poskusih sta oba raziskovalca uspela dokazati, da je Bellova neenakost res kršena. Toda v svojih poskusih so morali narediti določene predpostavke, da so jih sploh lahko izvedli. Torej bi teoretično lahko še vedno veljalo, da je imel Einstein prav, ko je bil skeptičen do kvantne mehanike.

Sčasoma pa bi lahko zaprli več teh vrzeli. Končno je leta 2015 različnim skupinam uspelo izvesti prve Bellove teste brez lukenj in tako dokončno rešiti stari spor.

Wallraffova skupina pravi, da lahko zdaj potrdi te rezultate z novim poskusom. Delo raziskovalcev ETH, objavljeno v priznani znanstveni reviji Narava kaže, da raziskava na to temo ni zaključena, kljub prvi potrditvi pred sedmimi leti. Razlogov za to je več. Prvič, poskus raziskovalcev ETH potrjuje, da tudi superprevodna vezja delujejo v skladu z zakoni kvantne mehanike, čeprav so veliko večja od mikroskopskih kvantnih objektov, kot so fotoni ali ioni. Nekaj ​​sto mikrometrov velika elektronska vezja, narejena iz superprevodnih materialov in delujejo na mikrovalovnih frekvencah, se imenujejo makroskopski kvantni objekti.

Poleg tega imajo Bellovi testi tudi praktični pomen. "Spremenjene Bellove teste je mogoče uporabiti v kriptografiji, na primer, da se dokaže, da se informacije dejansko prenašajo v šifrirani obliki," pojasnjuje Simon Storz, doktorski študent v Wallraffovi skupini. »Z našim pristopom lahko veliko bolj učinkovito dokažemo, kot je to mogoče v drugih eksperimentalnih postavitvah, da je Bellova neenakost kršena. Zaradi tega je še posebej zanimiv za praktične aplikacije.«

Pri postavljanju poskusa je torej pomembno najti ravnotežje: večja ko je razdalja med obema superprevodnima vezjema, več časa je na voljo za meritev – in bolj zapletena postaja eksperimentalna postavitev. To je zato, ker mora biti celoten poskus izveden v vakuumu blizu absolutne ničle.

Raziskovalci ETH so ugotovili, da je najkrajša razdalja, na kateri je mogoče izvesti uspešen Bellov test brez vrzeli, približno 33 metrov, saj lahki delec potrebuje približno 110 nanosekund, da prepotuje to razdaljo v vakuumu. To je nekaj nanosekund več, kot so raziskovalci potrebovali za izvedbo poskusa.

Wallraffova ekipa je zgradila impresiven objekt v podzemnih prehodih kampusa ETH. Na obeh koncih je kriostat, ki vsebuje superprevodno vezje. Ti dve hladilni napravi sta povezani s 30 metrov dolgo cevjo, katere notranjost je ohlajena na temperaturo tik nad absolutno ničlo (–273.15 °C).

Pred začetkom vsake meritve se mikrovalovni foton prenese iz enega od dveh superprevodnih vezij v drugo, tako da se obe vezji zapleteta. Generatorji naključnih števil nato odločijo, katere meritve bodo opravljene na obeh vezjih kot del Bellovega testa. Nato se primerjajo rezultati meritev na obeh straneh.

Po oceni več kot milijona meritev so raziskovalci z zelo visoko statistično gotovostjo pokazali, da je Bellova neenakost v tej eksperimentalni nastavitvi kršena. Z drugimi besedami, potrdili so, da kvantna mehanika omogoča tudi ne-lokalne korelacije v makroskopskih električnih vezjih in posledično, da se superprevodna vezja lahko zapletejo na veliki razdalji. To odpira zanimive možne aplikacije na področju porazdeljenega kvantnega računalništva in kvantne kriptografije.

Gradnja objekta in izvedba testa sta bila izziv, pravi Wallraff. "Projekt smo lahko financirali v obdobju šestih let s financiranjem iz ERC Advanced Grant." Samo hlajenje celotne eksperimentalne postavitve na temperaturo blizu absolutne ničle zahteva precejšen napor. »V našem stroju je 1.3 tone bakra in 14,000 vijakov ter veliko fizikalnega in inženirskega znanja,« pravi Wallraff. Meni, da bi bilo načeloma mogoče graditi objekte, ki na enak način premagujejo tudi večje razdalje. To tehnologijo bi lahko na primer uporabili za povezovanje superprevodnih kvantnih računalnikov na velikih razdaljah.