ETH Zürih Araştırmacıları Uzaktan Kuantum Mekanik İlişkisini Gösteriyor

Katı hal fiziği profesörü Andreas Wallraff liderliğindeki araştırmacılar, kuantum mekaniğine yanıt olarak Albert Einstein tarafından formüle edilen "yerel nedensellik" kavramını çürütmek için boşluksuz bir Bell testi gerçekleştirdiler. Araştırmacılar, birbirlerinden çok uzak olan kuantum mekaniği nesnelerinin birbirleriyle geleneksel sistemlerde mümkün olandan daha güçlü bir şekilde ilişkili olabileceğini göstererek, kuantum mekaniği için daha fazla onay sağladılar. Bu deneyi özel kılan şey, araştırmacıların ilk kez, güçlü kuantum bilgisayarları oluşturmak için umut vaat eden adaylar olarak kabul edilen süper iletken devreleri kullanarak gerçekleştirebilmiş olmalarıdır.

Bir Bell testi, başlangıçta 1960'larda İngiliz fizikçi John Bell tarafından bir düşünce deneyi olarak tasarlanan deneysel bir düzeneğe dayanmaktadır. Bell, fiziğin büyüklerinin 1930'larda zaten tartışmış olduğu bir soruyu çözmek istedi: Kuantum mekaniğinin günlük sezgilere tamamen ters düşen tahminleri doğru mu, yoksa geleneksel nedensellik kavramları atomik mikro kozmosta da geçerli mi? Albert Einstein'ın inandığı gibi mi?

Bu soruyu cevaplamak için Bell, aynı anda iki dolaşık parçacık üzerinde rastgele bir ölçüm yapmayı ve bunu Bell'in eşitsizliğiyle karşılaştırmayı önerdi. Einstein'ın yerel nedensellik kavramı doğruysa, bu deneyler her zaman Bell'in eşitsizliğini tatmin edecektir. Buna karşın kuantum mekaniği, onların bunu ihlal edeceklerini tahmin ediyor.

1970'lerin başında, geçen yıl Nobel Fizik Ödülü'nü alan John Francis Clauser ve Stuart Freedman, ilk uygulamalı Bell testini gerçekleştirdiler. Deneylerinde, iki araştırmacı Bell'in eşitsizliğinin gerçekten ihlal edildiğini kanıtlayabildiler. Ancak deneylerini yürütebilmek için ilk etapta bazı varsayımlarda bulunmaları gerekiyordu. Dolayısıyla, teorik olarak, Einstein'ın kuantum mekaniğine şüpheyle yaklaşması hâlâ doğru olabilirdi.

Ancak zamanla, bu boşlukların çoğu kapatılabilir. Son olarak, 2015 yılında, çeşitli gruplar gerçekten boşluk içermeyen ilk Bell testlerini gerçekleştirmeyi başardılar ve böylece eski anlaşmazlığı nihayet çözüme kavuşturdular.

Wallraff'ın grubu artık bu sonuçları yeni bir deneyle doğrulayabileceklerini söylüyor. Ünlü bilimsel dergide yayınlanan ETH araştırmacılarının çalışması Tabiat yedi yıl önceki ilk teyide rağmen bu konudaki araştırmaların henüz sonuçlanmadığını gösteriyor. Bunun birkaç nedeni var. Birincisi, ETH araştırmacılarının deneyi, süperiletken devrelerin, fotonlar veya iyonlar gibi mikroskobik kuantum nesnelerinden çok daha büyük olmalarına rağmen kuantum mekaniği yasalarına göre çalıştığını doğruluyor. Süper iletken malzemelerden yapılmış ve mikrodalga frekanslarında çalışan birkaç yüz mikrometre büyüklüğündeki elektronik devrelere makroskopik kuantum nesneleri denir.

Ayrıca, Bell testlerinin pratik bir önemi de vardır. Wallraff'ın grubundan bir doktora öğrencisi olan Simon Storz, "Örneğin, bilgilerin gerçekten şifreli biçimde iletildiğini göstermek için kriptografide Modifiye Bell testleri kullanılabilir" diye açıklıyor. "Yaklaşımımızla, Bell'in eşitsizliğinin ihlal edildiğini diğer deneysel kurulumlarda mümkün olandan çok daha verimli bir şekilde kanıtlayabiliriz. Bu, pratik uygulamalar için onu özellikle ilgi çekici kılıyor.”

Bu nedenle, deneyi kurarken bir denge kurmak önemlidir: iki süper iletken devre arasındaki mesafe ne kadar büyükse, ölçüm için o kadar fazla zaman vardır ve deney düzeneği o kadar karmaşık hale gelir. Bunun nedeni, tüm deneyin mutlak sıfıra yakın bir vakumda yürütülmesi gerektiğidir.

ETH araştırmacıları, bir boşlukta bu mesafeyi katetmek yaklaşık 33 nanosaniye sürdüğünden, başarılı bir boşluksuz Bell testi gerçekleştirmek için en kısa mesafeyi yaklaşık 110 metre olarak belirlediler. Bu, araştırmacıların deneyi gerçekleştirmesi için gerekenden birkaç nanosaniye daha fazla.

Wallraff'ın ekibi, ETH kampüsünün yer altı geçitlerinde etkileyici bir tesis inşa etti. İki ucunun her birinde, bir süper iletken devre içeren bir kriyostat bulunur. Bu iki soğutma aygıtı, iç kısmı mutlak sıfırın (-30°C) biraz üzerinde bir sıcaklığa soğutulan 273.15 metre uzunluğunda bir tüple birbirine bağlıdır.

Her ölçümün başlamasından önce, iki süper iletken devrenin birinden diğerine bir mikrodalga foton iletilir, böylece iki devre birbirine karışır. Rastgele sayı üreteçleri daha sonra Bell testinin bir parçası olarak iki devrede hangi ölçümlerin yapılacağına karar verir. Ardından, her iki taraftaki ölçüm sonuçları karşılaştırılır.

Araştırmacılar, bir milyondan fazla ölçümü değerlendirdikten sonra çok yüksek bir istatistiksel kesinlikle Bell eşitsizliğinin bu deney düzeneğinde ihlal edildiğini gösterdiler. Başka bir deyişle, kuantum mekaniğinin makroskopik elektrik devrelerinde yerel olmayan korelasyonlara da izin verdiğini ve sonuç olarak süper iletken devrelerin büyük bir mesafe boyunca dolanabileceğini doğruladılar. Bu, dağıtılmış kuantum hesaplama ve kuantum kriptografi alanında ilginç olası uygulamaları açar.

Wallraff, tesisi inşa etmenin ve testi gerçekleştirmenin zor olduğunu söylüyor. "ERC Advanced Grant'ten sağlanan fonla projeyi altı yıllık bir süre boyunca finanse edebildik." Tüm deney düzeneğini mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa soğutmak bile büyük çaba gerektirir. Wallraff, "Makinemizde 1.3 ton bakır ve 14,000 vidanın yanı sıra büyük bir fizik bilgisi ve mühendislik bilgisi var" diyor. Aynı şekilde daha da büyük mesafeleri aşan tesisler inşa etmenin prensipte mümkün olacağına inanıyor. Bu teknoloji, örneğin, süper iletken kuantum bilgisayarları uzak mesafelere bağlamak için kullanılabilir.