Kvantförvirring är fortfarande ett av de mest utmanande studierektorerna för moderna fysiker. Beskriven av Einstein som "spöklik handling på avstånd" har forskare länge försökt förena hur denna aspekt av kvantmekanik kan samexistera med klassisk mekanik. I själva verket bryter det faktum att två partiklar kan anslutas över stora avstånd strängarna för lokalitet och realism.
Formellt sett är detta en kränkning av Bell's Ineqaulity, en teori som har använts i årtionden för att visa att lokalitet och realism är giltiga trots att de inte stämmer överens med kvantmekaniken. I en nyligen genomförd studie genomförde emellertid ett team av forskare från Ludwig-Maximilian University (LMU) och Max Planck Institute for Quantum Optics i München test som återigen bryter mot Bells ojämlikhet och bevisar förekomsten av förvirring.
Deras studie, med titeln "Event-Ready Bell Test With Entangled Atoms Samtidigt stängande upptäckt och lokalitet kryphål", publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev. Leds av Wenjamin Rosenfeld, en fysiker vid LMU och Max Planck Institute for Quantum Optics, försökte teamet testa Bells ojämlikhet genom att trassla in två partiklar på avstånd.
Bell's Ojämlikhet (uppkallad efter den irländska fysikern John Bell, som föreslog det 1964) säger i huvudsak att egenskaper hos objekt finns oberoende av att observeras (realism), och ingen information eller fysiskt inflytande kan sprida sig snabbare än ljusets hastighet (lokalitet). Dessa regler beskrev perfekt den verklighet vi människor upplever dagligen, där saker är förankrade i ett visst rum och tid och existerar oberoende av en iakttagare.
Men på kvantnivå verkar saker inte följa dessa regler. Partiklar kan inte bara anslutas på icke-lokala sätt över stora avstånd (dvs intrassling), utan egenskaperna hos dessa partiklar kan inte definieras förrän de mäts. Och medan alla experiment har bekräftat att prognoserna för kvantmekanik är korrekta, har vissa forskare fortsatt att hävda att det finns kryphål som möjliggör lokal realism.
För att hantera detta genomförde München-teamet ett experiment med två laboratorier vid LMU. Medan det första labbet låg i källaren på fysikavdelningen, var det andra i källaren på ekonomiavdelningen - ungefär 400 meter bort. I båda laboratorierna fångade team en enda rubidiumatom i en aktuell fälla och började sedan spännande dem tills de släppte en enda foton.
Som Dr. Wenjamin Rosenfeld förklarade i ett Max Planck Institute-pressmeddelande:
”Våra två observatörstationer är oberoende drivna och utrustade med sina egna laser- och styrsystem. På grund av 400 meters avståndet mellan laboratorierna skulle kommunikation från det ena till det andra ta 1328 nanosekunder, vilket är mycket mer än mätprocessens varaktighet. Så ingen information om mätningen i ett labb kan användas i det andra labbet. Det är så vi stänger lösmutthålet för orten. "
När de två rubidiumatomerna var upphetsade till punkten att frigöra en foton, var sammandragningarna av rubidiumatomerna och fotonernas polarisationslägen effektivt sammankopplade. Fotonerna kopplades sedan in i optiska fibrer och leddes till en uppsättning där de fördes till interferens. Efter att ha genomfört en mätningskörning i åtta dagar kunde forskarna samla in cirka 10 000 händelser för att kontrollera om tecken var förvirrad.
Detta skulle ha indikerats av snurrarna från de två fångade rubidiumatomerna, som skulle peka i samma riktning (eller i motsatt riktning, beroende på typen av intrassling). Vad München-teamet fann var att för de allra flesta av händelserna var atomerna i samma tillstånd (eller i motsatt tillstånd), och att det bara fanns sex avvikelser som överensstämde med Bells ojämlikhet.
Dessa resultat var också statistiskt mer betydelsefulla än de som erhölls av ett team av holländska fysiker 2015. För den undersökningens skull genomförde det holländska teamet experiment med elektroner i diamanter vid laboratorier med 1,3 km från varandra. I slutändan visade deras resultat (och andra senaste tester av Bells ojämlikhet) att kvantförvirring är verklig, vilket effektivt stänger den lokala realismens kryphål.
Som Wenjamin Rosenfeld förklarade gick testerna som utfördes av hans team också utöver dessa andra experiment genom att ta upp en annan viktig fråga. "Vi kunde fastställa atomernas spin-tillstånd mycket snabbt och mycket effektivt," sade han. "Därmed stängde vi ett andra potentiellt kryphål: antagandet att den observerade överträdelsen orsakas av ett ofullständigt prov av detekterade atompar".
Genom att få bevis för kränkningen av Bells ojämlikhet hjälper forskare inte bara att lösa en bestående inkongruitet mellan klassisk och kvantfysik. De öppnar också dörren till några spännande möjligheter. Till exempel har forskare i åratal förväntat sig utveckla kvantprocessorer, som förlitar sig på sammankopplingar för att simulera nollorna och de i binär kod.
Datorer som förlitar sig på kvantmekanik skulle vara exponentiellt snabbare än konventionella mikroprocessorer och skulle inleda en ny tid för forskning och utveckling. Samma principer har föreslagits för cybersäkerhet, där kvantkryptering skulle användas för att cypera information, vilket gör det okränkbart för hackare som förlitar sig på konventionella datorer.
Till sist, men säkert inte minst, finns begreppet Quantum Entanglement Communications, en metod som skulle göra det möjligt för oss att överföra information snabbare än ljusets hastighet. Föreställ dig möjligheterna för rymdresa och utforskning om vi inte längre är bundna av gränserna för relativistisk kommunikation!
Einstein hade inte fel när han karakteriserade kvantförvirringar som ”skrämmande handling”. I själva verket är mycket av konsekvenserna av detta fenomen fortfarande lika skrämmande som de är fascinerande för fysiker. Men ju närmare vi förstår det, desto närmare kommer vi att utveckla en förståelse för hur alla de kända fysiska krafterna i universum passar samman - alias. en teori om allt!
