Тест Белла без лазеек еще больше опровергают концепцию Эйнштейна о локальной причинности
Группа исследователей под руководством Андреаса Валлраффа, профессора физики твердого тела в ETH Zurich, провела тест Белла без лазеек, чтобы опровергнуть концепцию «локальной причинности», сформулированную Альбертом Эйнштейном в ответ на квантовую механику. Показав, что квантово-механические объекты, которые находятся далеко друг от друга, могут быть гораздо сильнее коррелированы друг с другом, чем это возможно в обычных системах, исследователи предоставили дополнительное подтверждение квантовой механике. Особенность этого эксперимента в том, что исследователи впервые смогли провести его с использованием сверхпроводящих цепей, которые считаются перспективными кандидатами для создания мощных квантовых компьютеров.
Частичный участок 30-метровой квантовой связи между двумя сверхпроводящими цепями. Вакуумная трубка (в центре) содержит микроволновый волновод, который охлаждается примерно до -273°C и соединяет две квантовые схемы.
Предоставлено: ETH Zurich / Даниэль Винклер.
Старый спор
Тест Белла основан на экспериментальной установке, которая была первоначально разработана как мысленный эксперимент британским физиком Джоном Беллом в 1960-х годах. Белл хотел решить вопрос, о котором великие физики спорили еще в 1930-х годах: верны ли предсказания квантовой механики, полностью противоречащие обыденной интуиции, или общепринятые концепции причинности также применимы к атомному микромиру? Как считал Альберт Эйнштейн?
Чтобы ответить на этот вопрос, Белл предложил провести случайное измерение двух запутанных частиц одновременно и проверить его на соответствие неравенству Белла. Если эйнштейновская концепция локальной причинности верна, эти эксперименты всегда будут удовлетворять неравенству Белла. Напротив, квантовая механика предсказывает, что они ее нарушат.
Развеяли последние сомнения
В начале 1970-х годов Джон Фрэнсис Клаузер, получивший в прошлом году Нобелевскую премию по физике, и Стюарт Фридман провели первый практический тест Белла. В своих экспериментах двум исследователям удалось доказать, что неравенство Белла действительно нарушается. Но они должны были сделать определенные предположения в своих экспериментах, прежде всего, чтобы иметь возможность их проводить. Таким образом, теоретически Эйнштейн все еще мог быть прав, скептически относясь к квантовой механике.
Однако со временем все больше и больше таких лазеек можно было закрыть. Наконец, в 2015 году различным группам удалось провести первые действительно свободные от лазеек тесты Белла, тем самым окончательно разрешив старый спор.
Перспективные приложения
Группа Уолраффа теперь может подтвердить эти результаты с помощью нового эксперимента. Работа исследователей ETH, опубликованная в Nature, показывает, что исследования по этой теме не завершены, несмотря на первоначальное подтверждение семь лет назад. На это есть несколько причин.
Во-первых, эксперимент исследователей ETH подтверждает, что сверхпроводящие цепи также работают в соответствии с законами квантовой механики, хотя они намного больше, чем микроскопические квантовые объекты, такие как фотоны или ионы. Электронные схемы размером в несколько сотен микрометров, изготовленные из сверхпроводящих материалов и работающие на микроволновых частотах, называются макроскопическими квантовыми объектами.
Во-вторых, тесты Белла имеют и практическое значение. «Модифицированные тесты Белла можно использовать в криптографии, например, чтобы продемонстрировать, что информация действительно передается в зашифрованном виде», — объясняет Саймон Сторц, докторант группы Уолраффа. «С нашим подходом мы можем гораздо эффективнее, чем это возможно в других экспериментальных установках, доказать, что неравенство Белла нарушается. Это делает его особенно интересным для практических приложений».
Поиск компромисса
Однако для этого исследователям нужна сложная испытательная установка. Потому что для того, чтобы тест Белла был действительно свободным от лазеек, они должны гарантировать, что никакая информация не может быть обменена между двумя запутанными цепями до завершения квантовых измерений. Поскольку самая быстрая скорость передачи информации — скорость света, измерение должно занимать меньше времени, чем требуется частице света для перехода от одного контура к другому.
Итак, при постановке эксперимента важно соблюдать баланс: чем больше расстояние между двумя сверхпроводящими цепями, тем больше времени доступно для измерения и тем сложнее становится экспериментальная установка. Это связано с тем, что весь эксперимент должен проводиться в вакууме вблизи абсолютного нуля.
Исследователи ETH определили, что кратчайшее расстояние, на котором можно провести успешный тест Белла без лазеек, составляет около 33 метров, поскольку легкой частице требуется около 110 наносекунд, чтобы преодолеть это расстояние в вакууме. Это на несколько наносекунд больше, чем потребовалось исследователям для проведения эксперимента.
Тридцатиметровый вакуум
Команда Валлраффа построила впечатляющее сооружение в подземных переходах кампуса ETH. На каждом из двух его концов находится криостат, содержащий сверхпроводящую цепь. Эти два охлаждающих аппарата соединены 30-метровой трубой, внутренняя часть которой охлаждается до температуры чуть выше абсолютного нуля (–273,15 °C).
Перед началом каждого измерения микроволновый фотон передается от одной из двух сверхпроводящих цепей к другой, так что две цепи перепутываются. Затем генераторы случайных чисел решают, какие измерения будут выполнены на двух цепях в рамках теста Белла. Далее сравниваются результаты измерений с обеих сторон.
Крупномасштабная запутанность
Оценив более миллиона измерений, исследователи с очень высокой статистической достоверностью показали, что в этой экспериментальной установке нарушается неравенство Белла. Другими словами, они подтвердили, что квантовая механика также допускает нелокальные корреляции в макроскопических электрических цепях и, следовательно, что сверхпроводящие цепи могут быть запутаны на большом расстоянии. Это открывает интересные возможности для приложений в области распределенных квантовых вычислений и квантовой криптографии.
По словам Валлраффа, строительство объекта и проведение испытаний были сложной задачей. Просто охлаждение всей экспериментальной установки до температуры, близкой к абсолютному нулю, требует значительных усилий.
«В нашей машине 1,3 тонны меди и 14 000 винтов, а также много физических знаний и инженерных ноу-хау», — говорит Валлрафф. Он считает, что таким же образом в принципе можно было бы строить объекты, преодолевающие еще большие расстояния. Эта технология может, например, использоваться для соединения сверхпроводящих квантовых компьютеров на больших расстояниях.
