Fysikere adresserer smuthul i test af Bells ulighed ved hjælp af 600-årig stjernelys

Kvantforvikling kan synes at være tættere på science fiction end noget i vores fysiske virkelighed. Men ifølge kvantemekanikkens love - en gren af ​​fysik, der beskriver verden i omfanget af atomer og subatomære partikler - kvanteindvikling, som Einstein engang skeptisk betragtede som "uhyggelig handling på afstand, "er, faktisk, ægte.

Forestil dig to støvpletter i modsatte ender af universet, adskilt af flere milliarder lysår. Kvanteteorien forudsiger, at uanset den store afstand der adskiller dem, disse to partikler kan vikles sammen. Det er, enhver måling foretaget på en vil øjeblikkeligt formidle oplysninger om resultatet af en fremtidig måling på sin partner. I det tilfælde, resultaterne af målinger på hvert medlem af parret kan blive stærkt korreleret.

Hvis, i stedet, universet opfører sig som Einstein forestillede sig det - med partikler der har deres egne, bestemte egenskaber før måling og med lokale årsager, der kun er i stand til at give lokale virkninger - så burde der være en øvre grænse for, i hvilken grad målinger på hvert medlem af partiklerne kunne korreleres. Fysikeren John Bell kvantificerede den øvre grænse, nu kendt som "Bells ulighed, "for mere end 50 år siden.

I talrige tidligere forsøg, fysikere har observeret sammenhænge mellem partikler, der overstiger grænsen fastsat af Bells ulighed, hvilket tyder på, at de virkelig er sammenfiltrede, ligesom forudsagt af kvanteteori. Men hver sådan test har været udsat for forskellige "smuthuller, "scenarier, der kan tage højde for de observerede korrelationer, selvom verden ikke var styret af kvantemekanik.

Nu, fysikere fra MIT, universitetet i Wien, og andre steder har adresseret et smuthul i test af Bells ulighed, kendt som smuthulet til valgfrihed, og har præsenteret en stærk demonstration af kvanteindvikling, selvom sårbarheden over for dette smuthul er væsentligt begrænset.

"Den fast ejendom, der er tilovers for skeptikerne til kvantemekanik, er skrumpet betydeligt, "siger David Kaiser, Germeshausen -professor i videnskabshistorie og professor i fysik ved MIT. "Vi er ikke sluppet af med det, men vi har reduceret det med 16 størrelsesordener. "

Et forskerhold inklusive Kaiser; Alan Guth, Victor F. Weisskopf professor i fysik ved MIT; Andrew Friedman, en MIT -forsker; og kolleger fra
universitetet i Wien og andre steder har offentliggjort sine resultater i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Lukning af døren for kvante alternativer

Valgfriheds-smuthullet refererer til ideen om, at eksperimenter har total frihed til at vælge deres eksperimentelle opsætning, fra typer af partikler til sammenfiltring, til de målinger, de vælger at foretage på disse partikler. Men hvad nu hvis der var nogle andre faktorer eller skjulte variabler korreleret med den eksperimentelle opsætning, at få resultaterne til at virke kvantet sammenfiltrede, når de faktisk var resultatet af en eller anden kvantummekanisme?

Fysikere har forsøgt at løse dette smuthul med ekstremt kontrollerede forsøg, hvor de producerer et par sammenfiltrede fotoner fra en enkelt kilde, send derefter fotonerne til to forskellige detektorer og mål egenskaber for hver foton for at bestemme deres korrelationsgrad, eller sammenfiltring. For at udelukke muligheden for, at skjulte variabler kan have påvirket resultaterne, forskere har brugt tilfældige talgeneratorer ved hver detektor til at bestemme, hvilken egenskab hver foton skal måle, i splitsekundet mellem, når foton forlader kilden og ankommer til detektoren.

Men der er en chance, dog let, at skjulte variabler, eller ikke -kvantum påvirkning, kan påvirke en tilfældig talgenerator, før den videresender sin split-sekund-beslutning til fotondetektoren.

"Kernen i kvanteforvikling er den høje grad af korrelationer i resultaterne af målinger på disse par [partikler], "Kaiser siger." Men hvad nu hvis en skeptiker eller kritiker insisterede på, at disse korrelationer ikke skyldtes, at disse partikler virkede fuldt ud kvantemekanisk? Vi vil behandle, om der er en anden måde, at disse sammenhænge kunne have sneget sig ind, uden at vi havde bemærket det. "

"Stjerner tilpasset"

I 2014, Kaiser, Friedman, og deres kollega Jason Gallicchio (nu professor ved Harvey Mudd College) foreslog et eksperiment for at bruge gamle fotoner fra astronomiske kilder som stjerner eller kvasarer som "kosmiske indstillingsgeneratorer, "snarere end tilfældige talgeneratorer på Jorden, at bestemme de målinger, der skal foretages på hver sammenfiltret foton. Sådan kosmisk lys ville ankomme til Jorden fra objekter, der er meget langt væk - alt fra snesevis til milliarder af lysår væk. Dermed, hvis nogle skjulte variabler skulle forstyrre tilfældigheden af ​​valg af målinger, de ville have været nødt til at have sat disse ændringer i gang, før lyset forlod den kosmiske kilde, længe før forsøget på Jorden blev udført.

I dette nye papir, forskerne har demonstreret deres idé eksperimentelt for første gang. Holdet, herunder professor Anton Zeilinger og hans gruppe på

Universitetet i Wien og det østrigske videnskabsakademi, oprette en kilde til at producere stærkt sammenfiltrede par fotoner på taget af et universitetslaboratorium i Wien. I hvert eksperimentelt løb, de skød de sammenfiltrede fotoner ud i modsatte retninger, mod detektorer placeret i bygninger flere byblokke væk - den østrigske nationalbank og en anden universitetsbygning.

Forskerne opsatte også teleskoper på begge detektorsteder og uddannede dem i stjerner, den nærmeste er cirka 600 lysår væk, som de tidligere havde bestemt ville sende tilstrækkelige fotoner, eller stjernelys, i deres retning.

"På de nætter, stjernerne på linje, "Siger Friedman." Og med lyse stjerner som disse, antallet af fotoner, der kommer ind, kan være som en ildslange. Så vi har disse meget hurtige detektorer, der kan registrere detekteringer af kosmiske fotoner på subnanosekunders tidsskalaer. "

"Out of whack" med Einstein

I de få mikrosekunder, før en sammenfiltret foton ankom til en detektor, forskerne brugte hvert teleskop til hurtigt at måle en egenskab ved et indkommende stjernefoton - i dette tilfælde, om dens bølgelængde var rødere eller blåere end en bestemt referencebølgelængde. De brugte derefter denne tilfældige egenskab ved stjernefotonen, genereret for 600 år siden af ​​sin stjerne, at bestemme, hvilken egenskab de indkommende sammenfiltrede fotoner skal måle. I dette tilfælde, røde stjernefotoner signalerede en detektor til at måle en sammenfiltret foton polarisering i en bestemt retning. En blå stjernefoton ville indstille enheden til at måle polariseringen af ​​den sammenfiltrede partikel langs en anden retning.

Teamet gennemførte to eksperimenter, med hvert forsøg, der kun varer tre minutter. I hvert tilfælde, forskerne målte omkring 100, 000 par sammenfiltrede fotoner. De fandt ud af, at polarisationsmålingerne af fotonparene var stærkt korrelerede, langt over grænsen sat af Bells ulighed, på en måde, der lettest forklares ved kvantemekanik.

"Vi finder svar i høj grad i overensstemmelse med kvantemekanikken, og enormt ude af hak med en Einstein-lignende forudsigelse, "Siger Kaiser.

Resultaterne repræsenterer forbedringer med 16 størrelsesordener i forhold til tidligere bestræbelser på at imødegå smuthulet ved valgfrihed.

"Alle tidligere eksperimenter kunne have været underlagt dette underlige smuthul for at tage højde for resultaterne mikrosekunder før hvert eksperiment, kontra vores 600 år, "Kaiser siger." Så det er en forskel på en milliontedel af et sekund mod 600 års værdi på sekunder - 16 størrelsesordener. "

"Dette eksperiment skubber det seneste tidspunkt tilbage, hvor sammensværgelsen kunne have startet, "Tilføjer Guth." Vi siger, for at få en eller anden skør mekanisme til at simulere
kvantemekanik i vores eksperiment, den mekanisme skulle have været på plads for 600 år siden for at planlægge, at vi skulle lave eksperimentet her i dag, og at have sendt fotoner af de helt rigtige beskeder for at ende med at gengive resultaterne af kvantemekanik. Så det er meget langt ude. "

Der er også et andet, lige så langt ude, siger Michael Hall, seniorforsker ved Griffith University i Brisbane, Australien.

"Når fotoner fra de fjerne stjerner når de enheder, der bestemmer måleindstillingerne, det er muligt, at disse enheder virker på en eller anden måde for at ændre fotonernes farver, på en måde, der er korreleret med laseren, der producerer sammenfiltringen, "siger Hall, som ikke var involveret i arbejdet. "Dette ville kun kræve en 10-mikrosekund gammel sammensværgelse mellem enhederne og laseren. Imidlertid, tanken om, at fotoner ikke viser deres 'sande farver', når de opdages, ville vælte al observationsastronomi og grundlæggende elektromagnetisme. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.