Kvantin takertuminen on edelleen yksi haasteellisimmista tutkimusaloista nykyajan fyysikoille. Einsteinin kuvaamana "kauhistuttavana toimintana etäisyydeltä", tutkijat ovat pitkään pyrkineet sovittamaan yhteen, kuinka tämä kvantmekaniikan osa voi toimia rinnakkain klassisen mekaniikan kanssa. Pohjimmiltaan se, että kaksi hiukkasta voidaan yhdistää suurilla etäisyyksillä, rikkoo paikallisuuden ja realismin sääntöjä.
Muodollisesti tämä rikkoo Bellin käyttämättömyyttä - teoriaa, jota on käytetty vuosikymmenien ajan osoittamaan, että paikallisuus ja realismi ovat päteviä, vaikka ne ovat ristiriidassa kvanttimekaniikan kanssa. Äskettäisessä tutkimuksessa tutkijaryhmä Ludwig-Maximilian-yliopistosta (LMU) ja Münchenin Max Planck -kvanttioptiikan instituutista suoritti kuitenkin testejä, jotka taas rikkovat Bellin eriarvoisuutta ja todistavat takertumisen olemassaolon.
Heidän tutkimuksensa, jonka otsikko oli ”Tapahtumavalmis Bell-testi käyttäen takertuneita atomeja samanaikaisesti sulkevien havaitsemisten ja sijainnin porsaanreikiä”, julkaistiin äskettäin lehdessä Fyysiset tarkistuskirjeet. LMU: n ja Max Planckin kvanttioptiikan instituutin fyysikko Wenjamin Rosenfeldin johtama ryhmä pyrki testaamaan Bellin epätasa-arvoa takertumalla kaksi hiukkasta etäisyyteen.
Bellin epätasa-arvo (nimetty irlantilaisen fyysikon John Bellin mukaan, joka ehdotti sitä vuonna 1964) toteaa lähinnä, että esineiden ominaisuudet ovat riippumattomia havainnoista (realismi) ja mikään tieto tai fyysinen vaikutus ei voi levitä nopeammin kuin valon nopeus (sijainti). Nämä säännöt kuvasivat täydellisesti todellisuutta, jota ihminen kokee päivittäin, jossa asiat juurtuvat tiettyyn tilaan ja aikaan ja ovat riippumattomia tarkkailijasta.
Kvanttitasolla asiat eivät kuitenkaan näytä noudattavan näitä sääntöjä. Hiukkaset voivat paitsi liittää ei-paikallisilla tavoilla suurilla etäisyyksillä (ts. Takertumisen), mutta myös näiden hiukkasten ominaisuuksia ei voida määritellä ennen kuin ne on mitattu. Ja vaikka kaikki kokeet ovat vahvistaneet kvanttimekaniikan ennusteiden olevan oikeat, jotkut tutkijat ovat edelleen väittäneet, että on olemassa porsaanreikiä, jotka sallivat paikallisen realismin.
Tämän ratkaisemiseksi Münchenin ryhmä teki kokeilun kahdella LMU: n laboratoriolla. Kun ensimmäinen laboratorio sijaitsi fysiikan laitoksen kellarissa, toinen sijaitsi taloustieteen laitoksen kellarissa - noin 400 metrin päässä. Molemmissa laboratorioissa joukkueet vangitsivat yhden rubidiumatomin ajankohtaisessa ansaan ja alkoivat sitten kiinnostaa niitä, kunnes he vapauttivat yhden fotonin.
Kuten tohtori Wenjamin Rosenfeld selitti Max Planck -instituutin lehdistötiedotteessa:
”Kahta tarkkailuasemaamme käytetään itsenäisesti ja ne on varustettu omilla laser- ja ohjausjärjestelmillä. Laboratorioiden välisen 400 metrin etäisyyden vuoksi viestintä toisiinsa vieisi 1328 nanosekuntia, mikä on paljon enemmän kuin mittausprosessin kesto. Joten mitään laboratorion mittaustietoja ei voida käyttää toisessa laboratoriossa. Näin suljemme paikallisuuden porsaanreiän. "
Kun kaksi rubidiumatomia olivat innoissaan fotonin vapauttamispisteeseen, rubidiumatomien spin-tilat ja fotonien polarisaatiotilat takertuivat tehokkaasti. Sitten fotonit kytkettiin optisiin kuituihin ja johdettiin kokoonpanoon, jossa ne saatettiin häiriöihin. Kahdeksan päivän mittausjakson jälkeen tutkijat pystyivät keräämään noin 10 000 tapahtumaa merkkien takertumisen tarkistamiseksi.
Tämä olisi osoitettu kahden loukkuun jääneen rubidiumatomin spineillä, jotka osoittaisivat samaan suuntaan (tai vastakkaiseen suuntaan, takertumisen tyypistä riippuen). Münchenin joukkue havaitsi, että suurimmassa osassa tapahtumia atomit olivat samassa tilassa (tai vastakkaisessa tilassa) ja että Bellin epätasa-arvon mukaisia poikkeamia oli vain kuusi.
Nämä tulokset olivat myös tilastollisesti merkitsevämpiä kuin hollantilaisten fyysikkojen ryhmän vuonna 2015 saamat tulokset. Tämän tutkimuksen vuoksi hollantilainen ryhmä teki kokeita elektronien avulla timanteissa laboratorioissa, jotka olivat 1,3 km: n päässä toisistaan. Loppujen lopuksi heidän tuloksensa (ja muut Bellin epätasa-arvoisuuden viimeaikaiset testit) osoittivat, että kvantti-takertuminen on todellinen ja sulkee tehokkaasti paikallisen realismin aukon.
Kuten Wenjamin Rosenfeld selitti, hänen tiiminsä suorittamat testit menivät myös näiden muiden kokeiden ulkopuolelle käsittelemällä toista suurta kysymystä. "Pystyimme määrittämään atomien spin-tilan erittäin nopeasti ja erittäin tehokkaasti", hän sanoi. ”Siten suljimme toisen mahdollisen porsaanreiän: oletuksen, että havaittu rikkomus johtuu epätäydellisestä näytteestä havaituista atomi pareista”.
Saatuaan todisteita Bellin epätasa-arvon rikkomisesta tutkijat eivät vain auta ratkaisemaan pysyvää ristiriitaisuutta klassisen ja kvanttifysiikan välillä. He avaavat oven myös jännittäville mahdollisuuksille. Esimerkiksi vuosien ajan tiedemies on ennakoinut kvantiprosessorien kehitystä, jotka luottavat takertumisiin simuloimaan nollia ja binaarikoodin nollia.
Kvanttimekaniikkaan luottavat tietokoneet olisivat räjähdysmäisesti nopeampia kuin perinteiset mikroprosessorit ja johtaisivat uuden tutkimuksen ja kehityksen aikakauteen. Samat periaatteet on ehdotettu myös verkkoturvallisuudelle, jossa kvanttisalausta käytetään tietojen salaamiseen, mikä tekee siitä haavoittumattoman hakkereille, jotka luottavat perinteisiin tietokoneisiin.
Viimeisenä, mutta varmasti vähäisimpänä, on Quantum Entanglement Communications -konsepti, menetelmä, jonka avulla voimme välittää tietoa valon nopeutta nopeammin. Kuvittele avaruusmatkailun ja etsinnän mahdollisuudet, jos emme enää sido relativistisen viestinnän rajoja!
Einstein ei ollut väärässä, kun hän kuvasi kvanttipitoisuuksia "pelottavaksi toiminnaksi". Itse asiassa suuri osa näiden ilmiöiden vaikutuksista on edelleen niin pelottavia, kuin fyysikoille kiehtovia. Mutta mitä lähempänä ymmärrämme sitä, sitä lähempänä pyrimme kehittämään ymmärrystä siitä, kuinka kaikki maailmankaikkeuden tunnetut fyysiset voimat sopivat yhteen - eli. kaiken teoria!
