นักวิจัยของ ETH Zurich แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ทางกลเชิงควอนตัมที่ระยะทาง

นำโดย Andreas Wallraff ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์สถานะของแข็ง นักวิจัยได้ทำการทดสอบ Bell แบบไม่มีช่องโหว่เพื่อหักล้างแนวคิดเรื่อง "สาเหตุเฉพาะที่" ซึ่งกำหนดขึ้นโดย Albert Einstein เพื่อตอบสนองต่อกลศาสตร์ควอนตัม จากการแสดงให้เห็นว่าวัตถุเชิงกลควอนตัมที่อยู่ห่างกันสามารถมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันมากกว่าที่เป็นไปได้ในระบบทั่วไป นักวิจัยได้ให้การยืนยันเพิ่มเติมสำหรับกลศาสตร์ควอนตัม สิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับการทดลองนี้คือ นักวิจัยสามารถทำการทดลองโดยใช้วงจรตัวนำยิ่งยวดได้เป็นครั้งแรก ซึ่งถือว่าเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลัง

การทดสอบเบลล์มีพื้นฐานมาจากการตั้งค่าการทดลองที่คิดค้นโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ จอห์น เบลล์ ในทศวรรษที่ 1960 โดยเริ่มแรกเป็นการทดลองทางความคิด เบลล์ต้องการยุติคำถามที่ผู้ยิ่งใหญ่แห่งวงการฟิสิกส์เคยโต้เถียงกันมาแล้วในช่วงทศวรรษที่ 1930: การคาดการณ์ของกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งสวนทางกับสัญชาตญาณในชีวิตประจำวันอย่างสิ้นเชิง ถูกต้อง หรือนำแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับเหตุและผลไปใช้ในพิภพจิ๋วของอะตอมด้วยหรือไม่ อย่างที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เชื่อ?

เพื่อตอบคำถามนี้ เบลล์เสนอให้ทำการวัดแบบสุ่มในอนุภาคที่พันกันสองอนุภาคพร้อมกัน และตรวจสอบกับความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ หากแนวคิดเรื่องความเป็นเหตุเป็นผลในท้องถิ่นของไอน์สไตน์เป็นจริง การทดลองเหล่านี้จะตอบสนองความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์เสมอ ในทางตรงข้าม กลศาสตร์ควอนตัมคาดการณ์ว่าพวกเขาจะฝ่าฝืนมัน

ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 จอห์น ฟรานซิส เคลาเซอร์ ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปีที่แล้ว และสจวร์ต ฟรีดแมน ได้ทำการทดสอบเบลล์ภาคปฏิบัติเป็นครั้งแรก ในการทดลอง นักวิจัยทั้งสองสามารถพิสูจน์ได้ว่าความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์นั้นถูกละเมิดจริง แต่พวกเขาต้องตั้งสมมติฐานบางอย่างในการทดลองเพื่อให้สามารถดำเนินการได้ตั้งแต่แรก ดังนั้น ในทางทฤษฎี อาจเป็นกรณีที่ไอน์สไตน์คิดถูกที่ไม่เชื่อกลศาสตร์ควอนตัม

อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไป ช่องโหว่เหล่านี้สามารถปิดได้มากขึ้น ในที่สุด ในปี 2015 กลุ่มต่างๆ ก็ประสบความสำเร็จในการทดสอบ Bell แบบไร้ช่องโหว่อย่างแท้จริงเป็นครั้งแรก และในที่สุดก็สามารถระงับข้อพิพาทเก่าได้

กลุ่มของ Wallraff กล่าวว่าตอนนี้พวกเขาสามารถยืนยันผลลัพธ์เหล่านี้ได้ด้วยการทดลองใหม่ ผลงานของนักวิจัย ETH ที่ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ชื่อดัง ธรรมชาติ แสดงให้เห็นว่าการวิจัยในหัวข้อนี้ยังไม่ได้ข้อสรุปแม้ว่าจะมีการยืนยันครั้งแรกเมื่อเจ็ดปีก่อนก็ตาม มีหลายสาเหตุนี้. ประการหนึ่ง การทดลองของนักวิจัย ETH ยืนยันว่าวงจรตัวนำยิ่งยวดทำงานตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัมเช่นกัน แม้ว่าจะใหญ่กว่าวัตถุควอนตัมด้วยกล้องจุลทรรศน์เช่นโฟตอนหรือไอออนก็ตาม วงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดหลายร้อยไมโครเมตรที่ทำจากวัสดุตัวนำยิ่งยวดและทำงานที่ความถี่ไมโครเวฟเรียกว่าวัตถุควอนตัมด้วยกล้องจุลทรรศน์

อีกประการหนึ่ง การทดสอบ Bell ยังมีความสำคัญในทางปฏิบัติอีกด้วย “การทดสอบ Modified Bell สามารถใช้ในการเข้ารหัส ตัวอย่างเช่น เพื่อแสดงให้เห็นว่าข้อมูลถูกส่งจริงในรูปแบบการเข้ารหัส” Simon Storz นักศึกษาระดับปริญญาเอกในกลุ่มของ Wallraff อธิบาย “ด้วยวิธีการของเรา เราสามารถพิสูจน์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าที่จะเป็นไปได้ในการตั้งค่าการทดลองอื่นๆ ที่ละเมิดความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ นั่นทำให้มันน่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานจริง”

ดังนั้น เมื่อตั้งค่าการทดสอบ สิ่งสำคัญคือต้องสร้างสมดุล: ยิ่งระยะห่างระหว่างวงจรตัวนำยิ่งยวดทั้งสองวงจรมากเท่าใด เวลาที่ใช้ในการวัดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และการตั้งค่าการทดลองก็จะยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเท่านั้น นี่เป็นเพราะการทดลองทั้งหมดต้องทำในสุญญากาศใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์

นักวิจัยของ ETH ได้กำหนดระยะทางที่สั้นที่สุดสำหรับการทดสอบ Bell แบบไร้ช่องโหว่ที่ประสบผลสำเร็จคือประมาณ 33 เมตร เนื่องจากอนุภาคแสงใช้เวลาเดินทางประมาณ 110 นาโนวินาทีในสุญญากาศ นั่นเป็นไม่กี่นาโนวินาทีมากกว่าที่นักวิจัยใช้ในการทดลอง

ทีมงานของ Wallraff ได้สร้างสิ่งอำนวยความสะดวกที่น่าประทับใจในทางเดินใต้ดินของวิทยาเขต ETH ที่ปลายทั้งสองด้านแต่ละด้านคือเครื่องทำความเย็นที่มีวงจรตัวนำยิ่งยวด อุปกรณ์ทำความเย็นทั้งสองนี้เชื่อมต่อกันด้วยท่อยาว 30 เมตร ซึ่งภายในเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (–273.15°C)

ก่อนเริ่มการวัดแต่ละครั้ง โฟตอนไมโครเวฟจะถูกส่งจากวงจรตัวนำยิ่งยวดวงจรหนึ่งไปยังอีกวงจรหนึ่งเพื่อให้วงจรทั้งสองพันกัน จากนั้นเครื่องสร้างตัวเลขสุ่มจะตัดสินใจว่าจะวัดใดในวงจรทั้งสองซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทดสอบกระดิ่ง จากนั้นจึงนำผลการวัดทั้งสองด้านมาเปรียบเทียบกัน

หลังจากประเมินการวัดมากกว่าหนึ่งล้านครั้ง นักวิจัยได้แสดงให้เห็นด้วยความมั่นใจทางสถิติที่สูงมากว่าความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ถูกละเมิดในการตั้งค่าการทดลองนี้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกเขาได้ยืนยันว่ากลศาสตร์ควอนตัมยังช่วยให้วงจรไฟฟ้าขนาดใหญ่มีความสัมพันธ์กันแบบไม่เฉพาะที่ และเป็นผลให้วงจรตัวนำยิ่งยวดสามารถเข้าไปพัวพันได้ในระยะทางไกล นี่เป็นการเปิดแอปพลิเคชันที่น่าสนใจในด้านการประมวลผลควอนตัมแบบกระจายและการเข้ารหัสแบบควอนตัม

การสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกและดำเนินการทดสอบเป็นสิ่งที่ท้าทาย Wallraff กล่าว “เราสามารถให้เงินสนับสนุนโครงการในช่วงหกปีด้วยเงินทุนจาก ERC Advanced Grant” แค่ทำให้การตั้งค่าการทดลองทั้งหมดเย็นลงจนมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ก็ต้องใช้ความพยายามอย่างมาก “เครื่องของเรามีทองแดง 1.3 ตันและสกรู 14,000 ตัว รวมถึงความรู้ด้านฟิสิกส์และความรู้ด้านวิศวกรรมอีกมาก” Wallraff กล่าว เขาเชื่อว่าโดยหลักการแล้วมันเป็นไปได้ที่จะสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกที่เอาชนะระยะทางที่ไกลกว่าด้วยวิธีเดียวกัน เทคโนโลยีนี้สามารถใช้เพื่อเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีตัวนำยิ่งยวดในระยะไกล