Kvanteforvikling er stadig et af de mest udfordrende studieretninger for moderne fysikere. Beskrevet af Einstein som "uhyggelig handling på afstand" har forskere længe forsøgt at forene, hvordan dette aspekt af kvantemekanik kan eksistere sammen med klassisk mekanik. I det væsentlige krænker det faktum, at to partikler kan forbindes over store afstande, reglerne for lokalitet og realisme.
Formelt er dette en krænkelse af Bell's Ineqaulity, en teori, der har været brugt i årtier for at vise, at lokalitet og realisme er gyldige på trods af at de er uforenelige med kvantemekanikken. I en nylig undersøgelse gennemførte et team af forskere fra Ludwig-Maximilian University (LMU) og Max Planck Institute for Quantum Optics i München imidlertid test, der igen krænker Bell's ulighed og beviser eksistensen af sammenfiltring.
Deres undersøgelse, med titlen "Begivenhedsklar klokketest ved hjælp af sammenfiltrede atomer samtidigt lukning af detektion og lokalitet krydser", blev for nylig offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreve. Anført af Wenjamin Rosenfeld, fysiker ved LMU og Max Planck Institute for Quantum Optics, forsøgte teamet at teste Bells ulighed ved at sammenfiltrere to partikler på afstand.
Bell's ulighed (opkaldt efter den irske fysiker John Bell, som foreslog det i 1964) siger i det væsentlige, at egenskaber ved objekter findes uafhængigt af at blive observeret (realisme), og ingen information eller fysisk indflydelse kan udbrede sig hurtigere end lysets hastighed (lokalitet). Disse regler beskrev perfekt den virkelighed, vi mennesker oplever på daglig basis, hvor ting er rodfæstet i et bestemt rum og tid og eksisterer uafhængigt af en observatør.
På kvantniveau ser det imidlertid ikke ud til, at tingene følger disse regler. Ikke kun kan partikler forbindes på ikke-lokale måder over store afstande (dvs. forvikling), men egenskaberne af disse partikler kan ikke defineres, før de er målt. Og selvom alle eksperimenter har bekræftet, at forudsigelserne om kvantemekanik er korrekte, er nogle forskere fortsat med at argumentere for, at der er smuthuller, der tillader lokal realisme.
For at tackle dette udførte teamet i München et eksperiment ved hjælp af to laboratorier på LMU. Mens det første laboratorium var placeret i kælderen på fysikafdelingen, var det andet placeret i kælderen på økonomiafdelingen - cirka 400 meter væk. I begge laboratorier fangede holdene et enkelt rubidiumatom i en aktuel fælde og begyndte derefter at spænde dem, indtil de frigav en enkelt foton.
Som Dr. Wenjamin Rosenfeld forklarede i en Max Planck Institute-pressemeddelelse:
”Vores to observatørstationer er uafhængigt betjent og udstyret med deres egne laser- og kontrolsystemer. På grund af 400 meters afstand mellem laboratorierne vil kommunikation fra det ene til det andet tage 1328 nanosekunder, hvilket er meget mere end varigheden af måleprocessen. Så ingen information om målingen i det ene laboratorium kan bruges i det andet laboratorium. Det er sådan, vi lukker lokalsmuthulet. ”
Når de to rubidiumatomer var ophidset til det punkt at frigive en foton, var spin-tilstande for rubidiumatomerne og fotonernes polariseringstilstande effektivt sammenfiltret. Fotonerne blev derefter koblet til optiske fibre og ført til en opsætning, hvor de blev bragt til interferens. Efter at have gennemført en målekørsel i otte dage, var forskerne i stand til at samle omkring 10.000 begivenheder for at kontrollere for tegn på sammenfiltring.
Dette ville have været indikeret af spindene fra de to fangede rubidiumatomer, som ville pege i samme retning (eller i den modsatte retning, afhængigt af typen af sammenfiltring). Hvad München-teamet fandt, var, at atomerne for langt de fleste af begivenhederne var i samme tilstand (eller i modsat tilstand), og at der kun var seks afvigelser, der var i overensstemmelse med Bells ulighed.
Disse resultater var også statistisk mere signifikante end dem, der blev opnået af et team af hollandske fysikere i 2015. Af hensyn til denne undersøgelse gennemførte det hollandske team eksperimenter ved hjælp af elektroner i diamanter ved laboratorier, der var 1,3 km fra hinanden. I sidste ende demonstrerede deres resultater (og andre nylige tests af Bells ulighed), at kvanteforvikling var reel, hvilket effektivt lukker det lokale realismes smuthul.
Som Wenjamin Rosenfeld forklarede, gik testene, der blev foretaget af hans team, også ud over disse andre eksperimenter ved at tackle et andet stort problem. ”Vi var i stand til at bestemme atomernes spin-tilstand meget hurtigt og meget effektivt,” sagde han. ”Dermed lukkede vi et andet potentielt smuthul: antagelsen om, at den observerede krænkelse er forårsaget af en ufuldstændig prøve af detekterede atompar”.
Ved at få bevis for krænkelsen af Bells ulighed hjælper forskere ikke kun med at løse en varig inkongruitet mellem klassisk og kvantefysik. De åbner også døren til nogle spændende muligheder. For eksempel har forsker i årevis forventet udviklingen af kvanteprocessorer, der er afhængige af sammenfiltringer for at simulere nulene og de i binær kode.
Computere, der er afhængige af kvantemekanik, ville være eksponentielt hurtigere end konventionelle mikroprocessorer og indlede en ny tidsalder af forskning og udvikling. De samme principper er blevet foreslået for cybersikkerhed, hvor kvantekryptering ville blive brugt til at cypere information, hvilket gør det uundværligt for hackere, der er afhængige af konventionelle computere.
Sidst, men bestemt ikke mindst, er der begrebet Quantum Entanglement Communications, en metode, der gør det muligt for os at overføre information hurtigere end lysets hastighed. Forestil dig mulighederne for rumrejse og udforskning, hvis vi ikke længere er bundet af grænserne for relativistisk kommunikation!
Einstein tog ikke fejl, da han karakteriserede kvanteforviklinger som "uhyggelig handling". Faktisk er meget af implikationerne af dette fænomen stadig så skræmmende som det er fascinerende for fysikere. Men jo tættere vi kommer på at forstå det, jo tættere vil vi være på at udvikle en forståelse af, hvordan alle de kendte fysiske kræfter i universet passer sammen - alias. en teori om alt!
