[ad_1]
Superpozycja, splątanie i nielokalność stanowią fundamentalne cechy fizyki kwantowej. Fakt, że fizyka kwantowa nie jest zgodna z zasadą lokalnej przyczynowości, można eksperymentalnie wykazać w testach Bella przeprowadzonych na parach przestrzennie oddzielonych, splątanych układów kwantowych. Chociaż testy Bella były badane przy użyciu szerokiej gamy układów kwantowych w ciągu ostatnich 50 lat, dopiero stosunkowo niedawno udało się przeprowadzić eksperymenty wolne od tak zwanych luk.
Teoria „lokalnej przyczynowości” Alberta Einsteina, opracowana w reakcji na fizykę kwantową, została obalona przez zespół badaczy kierowany przez Andreasa Wallraffa, profesora fizyki ciała stałego na ETH Zurich. Naukowcy dodatkowo wsparli mechanikę kwantową, wykazując, że odległe obiekty mechaniki kwantowej mogą być znacznie ściślej połączone niż jest to możliwe w tradycyjnych systemach.
Test Bella opiera się na eksperymentalnym ustawieniu, które brytyjski fizyk John Bell po raz pierwszy opracował jako eksperyment myślowy w latach sześćdziesiątych XX wieku. Bell starał się odpowiedzieć na spór, w który pionierzy fizyki zaangażowali się już w latach trzydziestych XX wieku: Czy przewidywania mechaniki kwantowej, które są całkowicie sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, są dokładne, czy też obowiązują również w mikrokosmosie atomowym, jak uważał Albert Einstein?
Bell zasugerował wykonanie losowego pomiaru na dwóch splątanych cząstkach jednocześnie i porównanie go z nierównością Bella, aby znaleźć odpowiedź na to pytanie. Eksperymenty te zawsze spełniają nierówność Bella, jeśli teoria lokalnej przyczynowości Einsteina jest poprawna. Z drugiej strony, mechanika kwantowa przewiduje, że będą one sprzeczne z nią.
Specjalnością tego nowatorskiego eksperymentu jest to, że naukowcy byli w stanie po raz pierwszy przeprowadzić go przy użyciu obwodów nadprzewodzących, które są uważane za obiecujących kandydatów do budowy potężnych komputerów kwantowych.
Po pierwsze, pomimo tego, że są znacznie większe niż maleńkie cząstki kwantowe, takie jak fotony czy jony, eksperyment naukowców z ETH dowodzi, że obwody nadprzewodzące również podlegają zasadom mechaniki kwantowej. Termin „makroskopowe obiekty kwantowe” odnosi się do zasilanych mikrofalami, nadprzewodzących obwodów elektronicznych o wielkości kilkuset mikrometrów.
Simon Storz, doktorant w grupie Wallraffa, powiedział, „Z drugiej strony, testy Bella mają również znaczenie praktyczne. Zmodyfikowane testy Bella mogą być wykorzystywane w kryptografii, na przykład do wykazania, że informacje są przesyłane w postaci zaszyfrowanej. Dzięki naszemu podejściu możemy udowodnić, że nierówność Bella jest naruszona znacznie skuteczniej niż jest to możliwe w innych konfiguracjach eksperymentalnych. To sprawia, że jest to szczególnie interesujące dla praktycznych zastosowań”.
W tym celu potrzebne było zaawansowane urządzenie testowe. Aby test Bella był wolny od błędów, należy upewnić się, że żadne informacje nie mogą być wymieniane między dwoma splątanymi obwodami przed zakończeniem pomiarów kwantowych. Ponieważ światło jest jedyną prędkością, z jaką można przesyłać informacje, pomiar musi zostać zakończony w czasie krótszym niż zajmuje cząstce światła przejście z jednego obwodu do drugiego.
Utrzymanie równowagi podczas ustawiania eksperymentu jest obowiązkowe: Im większa przestrzeń między dwoma obwodami nadprzewodzącymi, tym dłuższe jest okno pomiarowe i tym bardziej złożona jest konfiguracja eksperymentalna. Wynika to z faktu, że cały eksperyment musi być przeprowadzony w próżni w niskich temperaturach.
Według naukowców z ETH, najkrótsza odległość do ukończenia testu Bella bez luki wynosi około 33 metrów, ponieważ pokonanie tej odległości w próżni zajmuje cząstce światła około 110 nanosekund. To o kilka nanosekund dłużej niż czas eksperymentu przeprowadzonego przez naukowców.
Naukowcy ocenili ponad milion pomiarów. Z ekstremalną pewnością statystyczną naukowcy wykazali, że nierówność Bella jest naruszona w tym układzie eksperymentalnym.
Innymi słowy, wykazali, że obwody nadprzewodzące mogą być splątane na dużą odległość, a mechanika kwantowa pozwala na nielokalne korelacje w makroskopowych obwodach elektrycznych. Daje to kilka intrygujących potencjalnych zastosowań dla kryptografii kwantowej i rozproszonych obliczeń kwantowych.
Trzydziestometrowa próżnia
Naukowcy zbudowali imponujący obiekt w podziemnych korytarzach kampusu ETH. Na każdym z jego dwóch końców znajduje się kriostat. Kriostat zawiera obwód nadprzewodzący. Te dwa urządzenia chłodzące są połączone 30-metrową rurą, której wnętrze jest chłodzone do temperatury nieco powyżej zera bezwzględnego (-273,15°C).
Każdy pomiar rozpoczyna się od transmisji fotonu mikrofalowego z jednego z dwóch obwodów nadprzewodzących do drugiego, pociągając za sobą obwody. Następnie test Bella wykorzystuje generatory liczb losowych do określenia, które pomiary są wykonywane na dwóch obwodach. Wyniki pomiarów po obu stronach są następnie porównywane.
Wallraff mówi. „Byliśmy w stanie sfinansować projekt w ciągu sześciu lat dzięki finansowaniu z grantu ERC Advanced Grant”. Schłodzenie całego zestawu eksperymentalnego do temperatury bliskiej zeru wymaga znacznego wysiłku. „W naszej maszynie znajduje się 1,3 tony miedzi i 14 000 śrub, a także ogromna wiedza z zakresu fizyki i inżynierii”.
Journal Reference:
- Storz S et al.: Naruszenie nierówności Bella bez luk w obwodach nadprzewodzących. Nature, 10 maja 2023 r. DOI: 10.1038/s41586-023-05885-0
[ad_2]