ETH Zürich Forskare demonstrerar kvantmekanisk korrelation på distans

Ledda av Andreas Wallraff, professor i fasta tillståndets fysik, utförde forskarna ett kryphålsfritt Bell-test för att motbevisa begreppet "lokal kausalitet" formulerat av Albert Einstein som svar på kvantmekaniken. Genom att visa att kvantmekaniska objekt som är långt ifrån varandra kan korreleras starkare med varandra än vad som är möjligt i konventionella system, har forskarna gett ytterligare bekräftelse för kvantmekaniken. Det speciella med detta experiment är att forskarna för första gången kunde utföra det med hjälp av supraledande kretsar, som anses vara lovande kandidater för att bygga kraftfulla kvantdatorer.

Ett Bell-test är baserat på en experimentell uppsättning som ursprungligen utformades som ett tankeexperiment av den brittiske fysikern John Bell på 1960-talet. Bell ville lösa en fråga som fysikens storheter redan hade bråkat om på 1930-talet: Är kvantmekanikens förutsägelser, som går helt i strid med vardagens intuition, korrekta, eller gäller de konventionella kausalitetsbegreppen också i atommikrokosmos? som Albert Einstein trodde?

För att svara på denna fråga föreslog Bell att utföra en slumpmässig mätning på två intrasslade partiklar samtidigt och kontrollera den mot Bells ojämlikhet. Om Einsteins begrepp om lokal kausalitet är sant, kommer dessa experiment alltid att tillfredsställa Bells ojämlikhet. Däremot förutspår kvantmekaniken att de kommer att bryta mot den.

I början av 1970-talet genomförde John Francis Clauser, som tilldelades Nobelpriset i fysik förra året, och Stuart Freedman ett första praktiskt Bell-test. I sina experiment kunde de två forskarna bevisa att Bells ojämlikhet verkligen kränks. Men de var tvungna att göra vissa antaganden i sina experiment för att kunna genomföra dem i första hand. Så teoretiskt sett kan det fortfarande ha varit så att Einstein hade rätt när han var skeptisk till kvantmekaniken.

Med tiden skulle dock fler av dessa kryphål kunna stängas. Slutligen, 2015, lyckades olika grupper genomföra de första verkligt kryphålsfria Bell-testerna och därmed äntligen lösa den gamla tvisten.

Wallraffs grupp säger att de nu kan bekräfta dessa resultat med ett nytt experiment. ETH-forskarnas arbete publicerat i den välrenommerade vetenskapliga tidskriften Natur visar att forskning om detta ämne inte är avslutad, trots den första bekräftelsen för sju år sedan. Det finns flera anledningar till detta. För det första bekräftar ETH-forskarnas experiment att supraledande kretsar fungerar enligt kvantmekanikens lagar, även om de är mycket större än mikroskopiska kvantobjekt som fotoner eller joner. De flera hundra mikrometerstora elektroniska kretsarna gjorda av supraledande material och som drivs vid mikrovågsfrekvenser kallas makroskopiska kvantobjekt.

För en annan sak har Bell-tester också en praktisk betydelse. "Modifierade Bell-tester kan användas i till exempel kryptografi för att visa att information faktiskt överförs i krypterad form", förklarar Simon Storz, doktorand i Wallraffs grupp. "Med vårt tillvägagångssätt kan vi bevisa mycket mer effektivt än vad som är möjligt i andra experimentella uppställningar att Bells ojämlikhet kränks. Det gör den särskilt intressant för praktiska tillämpningar.”

Så när du sätter upp experimentet är det viktigt att hitta en balans: ju större avståndet är mellan de två supraledande kretsarna, desto mer tid finns tillgänglig för mätningen – och desto mer komplex blir experimentupplägget. Detta beror på att hela experimentet måste utföras i ett vakuum nära den absoluta nollpunkten.

ETH-forskarna har bestämt att det kortaste avståndet för att utföra ett framgångsrikt kryphålsfritt Bell-test är cirka 33 meter, eftersom det tar en lätt partikel cirka 110 nanosekunder att förflytta sig detta avstånd i vakuum. Det är några nanosekunder mer än det tog forskarna att utföra experimentet.

Wallraffs team har byggt en imponerande anläggning i de underjordiska gångarna på ETH-campus. I var och en av dess två ändar finns en kryostat som innehåller en supraledande krets. Dessa två kylapparater är förbundna med ett 30 meter långt rör vars inre kyls till en temperatur strax över absolut noll (–273.15°C).

Innan varje mätning påbörjas sänds en mikrovågsfoton från en av de två supraledande kretsarna till den andra så att de två kretsarna trasslar in sig. Slumptalsgeneratorer avgör sedan vilka mätningar som görs på de två kretsarna som en del av Bell-testet. Därefter jämförs mätresultaten på båda sidor.

Efter att ha utvärderat mer än en miljon mätningar har forskarna med mycket hög statistisk säkerhet visat att Bells ojämlikhet kränks i denna experimentella uppställning. Med andra ord har de bekräftat att kvantmekaniken också tillåter icke-lokala korrelationer i makroskopiska elektriska kretsar och följaktligen att supraledande kretsar kan intrasslas över ett stort avstånd. Detta öppnar för intressanta möjliga tillämpningar inom området distribuerad kvantberäkning och kvantkryptografi.

Att bygga anläggningen och genomföra testet var en utmaning, säger Wallraff. "Vi kunde finansiera projektet under en period av sex år med finansiering från ett ERC Advanced Grant." Att bara kyla ner hela experimentupplägget till en temperatur nära absolut noll kräver stor ansträngning. "Det finns 1.3 ton koppar och 14,000 XNUMX skruvar i vår maskin, såväl som en hel del fysikkunskap och ingenjörskunnande", säger Wallraff. Han menar att det i princip skulle vara möjligt att bygga anläggningar som klarar ännu större avstånd på samma sätt. Denna teknik skulle till exempel kunna användas för att koppla ihop supraledande kvantdatorer över stora avstånd.