Kvanteforviklinger er fortsatt et av de mest utfordrende studieretningene for moderne fysikere. Beskrevet av Einstein som "nifs handling på avstand", har forskere lenge søkt å forene hvordan dette aspektet av kvantemekanikk kan eksistere sammen med klassisk mekanikk. I hovedsak bryter det faktum at to partikler kan kobles over store avstander, reglene for lokalitet og realisme.
Formelt sett er dette brudd på Bell's Ineqaulity, en teori som har blitt brukt i flere tiår for å vise at lokalitet og realisme er gyldige til tross for at de er i strid med kvantemekanikken. I en fersk undersøkelse gjennomførte imidlertid et team av forskere fra Ludwig-Maximilian University (LMU) og Max Planck Institute for Quantum Optics i München tester som nok en gang bryter Bell's ulikhet og beviser eksistensen av sammenfiltring.
Studien deres, med tittelen “Event-Ready Bell Test Using Entangled Atoms Samtidig Closing Detection and Locality Loopholes”, ble nylig publisert i Fysiske gjennomgangsbrev. Anført av Wenjamin Rosenfeld, fysiker ved LMU og Max Planck Institute for Quantum Optics, forsøkte teamet å teste Bell's Inequality ved å vikle inn to partikler på avstand.
Bell's Inequality (oppkalt etter den irske fysikeren John Bell, som foreslo det i 1964) uttaler i hovedsak at egenskaper til objekter eksisterer uavhengig av å bli observert (realisme), og ingen informasjon eller fysisk påvirkning kan forplante seg raskere enn lysets hastighet (lokalitet). Disse reglene beskrev perfekt virkeligheten vi mennesker opplever på daglig basis, der ting er forankret i et bestemt rom og tid og eksisterer uavhengig av en observatør.
På kvantnivå ser det imidlertid ikke ut til at ting følger disse reglene. Ikke bare kan partikler kobles på ikke-lokale måter over store avstander (dvs. sammenfiltring), men egenskapene til disse partiklene kan ikke defineres før de er målt. Og selv om alle eksperimenter har bekreftet at spådommene til kvantemekanikk er riktige, har noen forskere fortsatt å hevde at det er smutthull som tillater lokal realisme.
For å løse dette gjennomførte teamet i München et eksperiment ved bruk av to laboratorier ved LMU. Mens den første labben lå i kjelleren på fysikkavdelingen, lå den andre i kjelleren på økonomiavdelingen - omtrent 400 meter unna. I begge laboratoriene fanget lagene et enkelt rubidiumatom i en aktuell felle og begynte deretter å spennende dem til de ga ut et enkelt foton.
Som Dr. Wenjamin Rosenfeld forklarte i en pressemelding fra Max Planck Institute:
”Våre to observatørstasjoner er uavhengig av drift og utstyrt med egne laser- og kontrollsystemer. På grunn av 400 meters avstand mellom laboratoriene vil kommunikasjon fra det ene til det andre ta 1328 nanosekunder, noe som er mye mer enn varigheten av måleprosessen. Så ingen informasjon om målingen i den ene laben kan brukes i den andre laben. Det er slik vi lukker smutthullet fra lokaliteten. "
Når de to rubidiumatomene var begeistret til poenget med å frigjøre et foton, ble spinntilstandene til rubidiumatomer og poloniseringstilstandene til fotonene effektivt viklet inn. Fotonene ble deretter koblet til optiske fibre og ført til et oppsett der de ble bragt til interferens. Etter å ha gjennomført en målekjøring i åtte dager, var forskerne i stand til å samle rundt 10.000 hendelser for å se etter tegn på sammenfiltring.
Dette ville blitt indikert av spinnene til de to fangne rubidiumatomer, som ville peke i samme retning (eller i motsatt retning, avhengig av type innfiltring). Det München-teamet fant var at for de aller fleste begivenhetene var atomene i samme tilstand (eller i motsatt tilstand), og at det bare var seks avvik i samsvar med Bells ulikhet.
Disse resultatene var også statistisk mer signifikante enn de som ble oppnådd av et team av nederlandske fysikere i 2015. For den undersøkelsens skyld gjennomførte det nederlandske teamet eksperimenter ved bruk av elektroner i diamanter ved laboratorier med 1,3 km fra hverandre. Til slutt demonstrerte resultatene (og andre nylige tester av Bell's Inequality) at kvanteforvirring er reell, og effektivt lukker smutthullet fra den lokale realismen.
Som Wenjamin Rosenfeld forklarte, gikk testene av teamet hans også utover disse andre eksperimentene ved å ta opp et annet stort spørsmål. "Vi var i stand til å bestemme atomenes spinntilstand veldig raskt og veldig effektivt," sa han. "Dermed lukket vi et andre potensielt smutthull: antakelsen om at den observerte bruddet er forårsaket av en ufullstendig prøve av detekterte atompar".
Ved å innhente bevis for brudd på Bells ulikhet, hjelper forskere ikke bare med å løse en varig inkongruitet mellom klassisk og kvantefysikk. De åpner også døren for noen spennende muligheter. For eksempel har forskere i årevis forventet utviklingen av kvanteprosessorer, som er avhengige av forviklinger for å simulere nullene og de i binær kode.
Datamaskiner som er avhengige av kvantemekanikk ville være eksponentielt raskere enn konvensjonelle mikroprosessorer, og ville innlede en ny tidsalder av forskning og utvikling. De samme prinsippene er blitt foreslått for cybersecurity, hvor kvantekryptering vil bli brukt for å cypere informasjon, noe som gjør det usårbart for hackere som er avhengige av konvensjonelle datamaskiner.
Sist, men absolutt ikke minst, er det konseptet Quantum Entanglement Communications, en metode som vil tillate oss å overføre informasjon raskere enn lysets hastighet. Se for deg mulighetene for romfart og utforsking hvis vi ikke lenger er bundet av grensene for relativistisk kommunikasjon!
Einstein tok ikke feil da han karakteriserte kvanteforviklinger som "nifs handling". Faktisk er mye av implikasjonene av dette fenomenet fortsatt så skremmende som det er fascinerende for fysikere. Men jo nærmere vi kommer til å forstå det, jo nærmere vil vi være å utvikle en forståelse av hvordan alle de kjente fysiske kreftene i universet passer sammen - også. en teori om alt!
