Группа исследователей во главе с Андреасом Уолраффом, профессором 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 объекты квантовой механики, расположенные далеко друг от друга, могут быть гораздо сильнее коррелированы друг с другом, чем это возможно в обычных системах, исследователи получили дополнительное подтверждение квантовой механики. Что особенного в этом эксперименте, так это то, что исследователи впервые смогли провести его с использованием сверхпроводящих схем, которые считаются многообещающими кандидатами для создания мощных квантовых компьютеров.
Старый спор
Тест Белла основан на экспериментальной установке, которая первоначально была разработана в качестве мысленного эксперимента британским физиком Джоном Беллом в 1960-х годах. Белл хотел решить вопрос, о котором великие физики уже спорили в 1930-х годах: верны ли предсказания квантовой механики, которые полностью противоречат повседневной интуиции, или общепринятые концепции причинности применимы и к атомному микромиру, как полагал Альберт Эйнштейн?
Чтобы ответить на этот вопрос, Белл предложил выполнить случайное измерение двух запутанных частиц одновременно и проверить его на соответствие неравенству Белла. Если концепция локальной причинности Эйнштейна верна, то эти эксперименты всегда будут удовлетворять неравенству Белла. Напротив, квантовая механика предсказывает, что они будут нарушать его.
Последние сомнения рассеялись
В начале 1970-х годов Джон Фрэнсис Клаузер, которому в прошлом году была присуждена Нобелевская премия по физике, и Стюарт Фридман провели первый практический тест Белла. В своих экспериментах оба исследователя смогли доказать, что неравенство Белла действительно нарушено. Но они должны были сделать определенные допущения в своих экспериментах, чтобы иметь возможность проводить их в первую очередь. Таким образом, теоретически все еще могло быть так, что Эйнштейн был прав, скептически относясь к квантовой механике.
Однако со временем все больше и больше этих лазеек может быть закрыто. Наконец, в 2015 году различным группам удалось провести первые по-настоящему свободные от лазеек тесты Bell, тем самым окончательно разрешив старый спор.
Перспективные области применения
Группа Уоллраффа теперь может подтвердить эти результаты новым экспериментом. Работа исследователей ETH, опубликованная в Nature, показывает, что исследования по этой теме не завершены, несмотря на первоначальное подтверждение семь лет назад. Для этого есть несколько причин.
С одной стороны, эксперимент исследователей ETH подтверждает, что сверхпроводящие цепи тоже работают в соответствии с законами квантовой механики, даже несмотря на то, что они намного больше микроскопических квантовых объектов, таких как фотоны или ионы. Электронные схемы размером в несколько сотен микрометров, изготовленные из сверхпроводящих материалов и работающие на сверхвысоких частотах, называются макроскопическими квантовыми объектами.
С другой стороны, тесты Белла также имеют практическое значение. «Модифицированные тесты Белла могут быть использованы, например, в криптографии, чтобы продемонстрировать, что информация действительно передается в зашифрованном виде», — объясняет Саймон Шторц, докторант группы Уолраффа. «С помощью нашего подхода мы можем гораздо эффективнее, чем это возможно в других экспериментальных установках, доказать, что неравенство Белла нарушено. Это делает его особенно интересным для практического применения».
Поиск компромисса
Однако для этого исследователям нужна сложная испытательная установка. Потому что для того, чтобы тест Белла действительно не содержал лазеек, они должны гарантировать, что никакой информацией нельзя будет обмениваться между двумя запутанными цепями до завершения квантовых измерений. Поскольку информация может передаваться быстрее всего со скоростью света, измерение должно занимать меньше времени, чем требуется частице света для перемещения из одного контура в другой.
Итак, при организации 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, близком к абсолютному нулю.
Исследователи ETH определили, что кратчайшее расстояние, на котором можно успешно провести тест Bell 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 Уоллраффа построила впечатляющее сооружение в подземных переходах кампуса ETH. На каждом из двух его концов расположен криостат, содержащий сверхпроводящий контур. Эти два охлаждающих устройства соединены трубой длиной 30 метров, 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 таким образом, что две цепи запутываются. Затем генераторы случайных чисел решают, какие измерения будут выполнены на двух цепях в рамках теста Белла. Затем сравниваются результаты измерений с обеих сторон.
Крупномасштабное запутывание
Оценив более миллиона измерений, исследователи с очень высокой статистической достоверностью показали, что неравенство Белла нарушается в этой экспериментальной установке. 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 возможные приложения в области распределенных квантовых вычислений и квантовой криптографии.
По словам Уоллраффа, строительство установки и проведение испытаний было непростой задачей. Простое 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 обширные знания в области физики и инженерных ноу-хау», — говорит Уоллрафф. Он считает, что в принципе было бы возможно построить объекты, которые преодолевали бы еще большие расстояния таким же образом. Эта технология могла бы, например, использоваться для подключения сверхпроводящих квантовых компьютеров на большие расстояния.