Новый эксперимент показал, что Эйнштейн ошибался насчет квантовой запутанности
Альберт Эйнштейн не был полностью убежден в квантовой механике, предполагая, что понимание ее было недостаточно верным. В частности, Эйнштейн не соглашался с запутанностью, представлением о том, что на частицу может воздействовать другая частица, которая находится сколь угодно далеко от нее.
Последующие эксперименты показали, что квантовая запутанность действительно возможна и что две запутанные частицы могут быть связаны на большом расстоянии. Теперь новый эксперимент еще раз подтвердил это, причем так, как этого не делали ранее.
В новом эксперименте ученые использовали 30-метровую трубу, охлажденную почти до абсолютного нуля, для проведения теста Белла: случайного измерения двух запутанных частиц — кубитов (квантовых битов) одновременно.
Тест предлагает математическое неравенство, нарушение которого показывает, что теория квантовой механики верна.
Развеяли последние сомнения
В начале 1970-х годов Джон 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 (лазейки), 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 физиков удалось провести первые действительно свободные от лазеек тесты Белла, тем самым окончательно разрешив старый спор.
Новый эксперимент не только запускает тест Белла на больших расстояниях, чем те, на которых его пытались сделать ранее, но также проводит его с использованием сверхпроводящих цепей, которые, как ожидается, сыграют значительную роль в разработке квантовых компьютеров.
Из-за структуры эксперимента с сотнями электронных схем микрометрового размера модифицированную версию можно использовать несколькими способами.
«С нашим подходом мы можем гораздо эффективнее, чем это возможно в других экспериментальных установках, доказать, что неравенство Белла нарушается», — говорит физик Саймон Сторц из ETH Zurich в Швейцарии. «Это делает его особенно интересным для практических приложений».
Несмотря на трудности с созданием и тонкой настройкой машины, исследователи уверены, что ее можно адаптировать и для работы в больших масштабах, раздвигая границы того, что мы знаем о квантовой механике.
Чтобы устранить все потенциальные лазейки в тесте Белла, измерения должны были быть проведены за меньшее время, чем требуется свету, чтобы пройти от одного конца трубы до другого, что доказывает, что между частицами ними не было обмена информацией.
С этой установкой свету потребовалось 110 наносекунд, чтобы пройти по трубе, а измерения были проведены на несколько наносекунд быстрее.
Исследователи использовали микроволновые фотоны для создания запутанности, и было проведено более миллиона измерений, чтобы показать нарушение неравенства Белла.
Это самое длинное расстояние между двумя запутанными сверхпроводящими кубитами, демонстрирующее перспективность технологии кубитов. Та же самая технология, продемонстрированная в этом эксперименте, может в конечном итоге найти свое применение в полномасштабных квантовых компьютерах.
«Наша работа демонстрирует, что нелокальность — это новый жизнеспособный ресурс в квантовой информационной технологии, реализованный с помощью сверхпроводящих схем с потенциальными приложениями в квантовой связи, квантовых вычислениях и фундаментальной физике», — пишут исследователи в своей статье.
Исследование опубликовано в журнале Nature.