Sandsynligheden for at kvanteverdenen adlyder lokal realisme er mindre end en ud af en milliard, eksperiment viser

(Phys.org) - Fysikere har rapporteret nogle af de stærkeste beviser endnu for, at kvanteverdenen ikke adlyder lokal realisme ved at demonstrere nye beviser for eksistensen af ​​kvanteforvikling. Ved at udføre en i det væsentlige smuthulfri Bell-test, de har vist, at to atomer adskilt af en afstand på en kvart mil deler korrelationer, der burde være umulige under hypotesen om lokal realisme, og er sandsynligvis forklaret med kvanteindvikling.

Den nye Bell -test blev udført af en gruppe forskere under ledelse af Harald Weinfurter ved Ludwig Maximilian University i München og Max Planck Institute for Quantum Optics, begge i Tyskland.

Sandsynligheden for at de observerede korrelationer kan forklares med lokal realisme på grund af nogle ukendte "skjulte variabler" frem for sammenfiltring er mindre end en ud af en milliard, skriver fysikerne i deres papir offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve . Ved at redegøre for alle deres akkumulerede data, taget i løbet af syv måneder, at sandsynligheden falder endnu mere, ned til cirka hver tiende kvadrillion (tallet 1 efterfulgt af 16 nuller). Dette betyder, at kvanteverdenen krænker enten lokalitet (at fjerne genstande ikke kan påvirke hinanden på mindre end en vis tid) eller realisme (at objekter eksisterer, uanset om nogen måler dem eller ej), eller muligvis begge dele.

Tre Bell -test

Testen, der er rapporteret her, er den seneste smuthulfrie Bell-test:en, der samtidig lukker de to største smuthuller, lokalitetshullet og detekteringshullet. At lukke begge smuthuller er afgørende for at udelukke eventuelle alternative forklaringer, såsom muligheden for, at to sammenfiltrede objekter i hemmelighed deler information (lokalitetshul) eller at partiklerne, der detekteres, ikke er repræsentative for hele prøven, men derimod danner en særlig delmængde, der skæver dataene (detekteringshul).

Den første smuthulsfrie Bell-test, rapporteret i 2015 af et team ledet af Ronald Hanson ved University of Delft, påviste sammenfiltring mellem elektron-spins i nitrogen-vacancy (NV) centre i diamant. Kort efter, andre smuthulfrie Bell-test rapporterede sammenfiltring mellem fotoner. Bell -testen, der er rapporteret her, viser sammenfiltring mellem en tredje systemtype:atomernes spin -tilstande.

"Efter min mening, den største betydning af dette værk er den deciderede udelukkelse af lokal realisme, "medforfatter Wenjamin Rosenfeld, ved Ludwig Maximilian University i München og Max Planck Institute for Quantum Optics, fortalt Phys.org . "Det er godt, at der blev udført lignende forsøg med forskellige systemer (fotoner, NV -centre) i det væsentlige på samme tid, så alle resultater tilsammen kan betragtes som virkelig afgørende. Nu er det ikke mere et spørgsmål om tro, om naturen kan eller ikke kan beskrives på en lokalt realistisk måde, men et faktum. (Imidlertid, valgfrihedsproblemet mangler stadig at blive løst.) "

Forsøgsopstilling

Det nye eksperiment involverede fangst af et rubidiumatom i kælderen i fysikbygningen ved Ludwig Maximilian University i München og fangning af et andet rubidiumatom i kælderen i økonomibygningen, cirka 400 meter væk. En optisk fiber forbandt de to målesteder.

I deres test, forskerne ophidsede atomerne, får dem til at udsende fotoner på præcist definerede tidspunkter. Fotonerne rejste derefter gennem den optiske fiber og forstyrrede hinanden. Denne kvanteinterferens, i teorien, får atomerne til at vikle sig sammen. For at opdage denne sammenfiltring, forskerne udførte målinger på fotoner, gentager målingerne igen og igen for titusinder af fotonpar. Resultaterne viste overvældende, at de fjerne fotonpar faktisk var viklet ind.

Sidste smuthul

En af de sidste tilbageværende smuthuller for de fleste Bell -test vedrører valg af måling foretaget på atomerne. Da disse målinger kan udføres på flere måder, det er vigtigt at bekræfte, at forsøgslederen frit kan vælge, hvilken bestemt måling der skal foretages, og at skjulte variabler ikke påvirker valg af måling og på en eller anden måde tillader atomer at synkronisere deres egenskaber. Denne mulighed kaldes den frie vilje eller valgfrihed smuthul.

For at forsøge at lukke dette smuthul, forskerne brugte en højhastigheds-kvantum-tilfældig talgenerator, der vælger måleindstillinger, der virkelig er tilfældige-næsten. Problemet er, at der er en meget lille mulighed for, at tilfældige talgeneratorer kunne have kommunikeret med hinanden eller resten af ​​forsøget, inden eksperimentet begyndte. Dette kan give atomerne mulighed for at kende tilfældige tal, og følgelig de målinger, der skal udføres, på forhånd, giver dem mulighed for at synkronisere deres egenskaber.

Fysikerne forklarer, at den eneste måde at lukke dette smuthul helt på er at bruge en udenjordisk tilfældig talgenerator, såsom den iboende tilfældige fotonemission fra stjerner placeret millioner af lysår væk. Den store afstand mellem stjernerne og et jordbaseret eksperiment ville gøre det praktisk talt umuligt for enhver skjult kommunikation at finde sted, da det ville betyde, at sådan kommunikation skulle have fundet sted, før lyset forlod stjernerne, millioner af år siden. Flere fysiklaboratorier udvikler i øjeblikket udenjordiske tilfældige talgeneratorer til dette formål.

Sikker kommunikation

Da kvanteindvikling sandsynligvis vil være en vigtig ressource i fremtidige sikre kvanteteknologier, lukning af disse smuthuller hjælper med at øge sikkerheden for fremtidige applikationer på det mest fundamentale niveau. Forskerne forventer, at de metoder, der anvendes i denne undersøgelse, også vil bidrage til ny udvikling inden for kvanteinformationssystemer og kvante repeater netværk, som bruges til at kommunikere kvanteinformation over lange afstande. De planlægger at undersøge denne applikation yderligere i fremtiden.

"Bortset fra yderligere grundlæggende spørgsmål i betragtning af valgfriheden problematisk, der er meget, man kan arbejde med her, "Rosenfeld sagde." På den ene side kan man forsøge at skubbe systemet yderligere (især troskaben i den sammenfiltrede tilstand) for at kunne udføre såkaldte 'enhedsuafhængige' protokoller. Disse ville gøre det muligt at opnå en sikker kryptografisk nøgle, selv fra enheder, som potentielt ikke er tillid til (leveret af en tredjepart). Her, Bells ulighed giver mulighed for at teste, om enhederne på en eller anden måde var forberedt på forhånd til at producere en nøgle, som en modstander kender. I øvrigt, teknikkerne til generering af sammenfiltring mellem fjerne objekter er vigtige for kvantenetværk, der muliggør sikker kommunikation over lange afstande. "

© 2017 Phys.org