Дослідники ETH Zurich продемонстрували квантову механічну кореляцію на відстані

Під керівництвом Андреаса Валраффа, професора фізики твердого тіла, дослідники провели тест Белла без лазівок, щоб спростувати концепцію «локальної причинності», сформульовану Альбертом Ейнштейном у відповідь на квантову механіку. Показавши, що квантово-механічні об’єкти, які знаходяться далеко один від одного, можуть сильніше корелювати один з одним, ніж це можливо в звичайних системах, дослідники надали додаткове підтвердження для квантової механіки. Особливістю цього експерименту є те, що дослідники вперше змогли провести його за допомогою надпровідних схем, які вважаються перспективними кандидатами для створення потужних квантових комп’ютерів.

Тест Белла базується на експериментальній установці, яка спочатку була розроблена як уявний експеримент британським фізиком Джоном Беллом у 1960-х роках. Белл хотів вирішити питання, про яке величні фізики вже сперечалися в 1930-х роках: чи передбачення квантової механіки, які повністю суперечать повсякденній інтуїції, правильні, чи звичайні концепції причинності також застосовуються в атомному мікросвіті, як вірив Альберт Ейнштейн?

Щоб відповісти на це запитання, Белл запропонував виконати випадкове вимірювання двох заплутаних частинок одночасно та перевірити його на нерівність Белла. Якщо концепція локальної причинності Ейнштейна вірна, ці експерименти завжди задовольнятимуть нерівність Белла. Навпаки, квантова механіка передбачає, що вони його порушать.

На початку 1970-х років Джон Френсіс Клаузер, який минулого року отримав Нобелівську премію з фізики, і Стюарт Фрідман провели перший практичний тест Белла. У своїх експериментах двоє дослідників змогли довести, що нерівність Белла дійсно порушується. Але вони повинні були зробити певні припущення у своїх експериментах, щоб мати можливість їх провести. Тож, теоретично, Ейнштейн мав рацію, скептично ставлячись до квантової механіки.

Однак з часом більше цих лазівок можна буде закрити. Нарешті, у 2015 році різним групам вдалося провести перші справді вільні від лазівок тести Bell, таким чином остаточно залагодивши стару суперечку.

Група Волраффа каже, що тепер вони можуть підтвердити ці результати за допомогою нового експерименту. Робота дослідників ETH опублікована у відомому науковому журналі природа показує, що дослідження на цю тему не завершено, незважаючи на первинне підтвердження сім років тому. На це є декілька причин. По-перше, експеримент дослідників ETH підтверджує, що надпровідні схеми також працюють відповідно до законів квантової механіки, навіть якщо вони набагато більші за мікроскопічні квантові об’єкти, такі як фотони чи іони. Електронні схеми розміром у кілька сотень мікрометрів, виготовлені з надпровідних матеріалів і працюють на мікрохвильових частотах, називаються макроскопічними квантовими об’єктами.

З іншого боку, тести Белла мають і практичне значення. «Модифіковані тести Белла можна використовувати, наприклад, у криптографії, щоб продемонструвати, що інформація насправді передається в зашифрованому вигляді», — пояснює Саймон Шторц, докторант із групи Уолраффа. «Завдяки нашому підходу ми можемо набагато ефективніше, ніж це можливо в інших експериментальних установках, довести, що нерівність Белла порушується. Це робить його особливо цікавим для практичного застосування».

Отже, під час налаштування експерименту важливо знайти баланс: чим більша відстань між двома надпровідними контурами, тим більше часу доступно для вимірювання – і тим складнішою стає експериментальна установка. Це пояснюється тим, що весь експеримент має проводитися у вакуумі поблизу абсолютного нуля.

Дослідники ETH визначили, що найкоротша відстань, на якій можна провести успішний тест Белла без лазівок, становить приблизно 33 метри, оскільки легкій частинці потрібно приблизно 110 наносекунд, щоб подолати цю відстань у вакуумі. Це на кілька наносекунд більше, ніж знадобилося дослідникам для проведення експерименту.

Команда Уолраффа побудувала вражаюче приміщення в підземних переходах кампусу ETH. На кожному з двох кінців є кріостат, що містить надпровідний контур. Ці два охолоджувальні пристрої з’єднані 30-метровою трубою, внутрішня частина якої охолоджується до температури трохи вище абсолютного нуля (–273.15°C).

Перед початком кожного вимірювання мікрохвильовий фотон передається від одного з двох надпровідних ланцюгів до іншого так, що обидва ланцюга заплутуються. Потім генератори випадкових чисел вирішують, які вимірювання виконуються на двох схемах у рамках тесту Белла. Далі порівнюються результати вимірювань з обох сторін.

Після оцінки понад одного мільйона вимірювань дослідники показали з дуже високою статистичною точністю, що нерівність Белла порушується в цій експериментальній установці. Іншими словами, вони підтвердили, що квантова механіка також допускає нелокальні кореляції в макроскопічних електричних ланцюгах і, отже, що надпровідні ланцюги можуть бути заплутаними на великій відстані. Це відкриває цікаві можливості застосування в області розподілених квантових обчислень і квантової криптографії.

Будівництво об’єкта та проведення випробувань було складним завданням, каже Уолрафф. «Ми змогли профінансувати проект протягом шести років за рахунок фінансування ERC Advanced Grant». Просто охолодження всієї експериментальної установки до температури, близької до абсолютного нуля, вимагає значних зусиль. «У нашій машині 1.3 тонни міді та 14,000 XNUMX гвинтів, а також багато знань у галузі фізики та інженерного ноу-хау», — каже Уолрафф. Він вважає, що в принципі можна було б таким же чином будувати об'єкти, які долають навіть більші відстані. Цю технологію можна, наприклад, використовувати для з’єднання надпровідних квантових комп’ютерів на великих відстанях.