Lys fra gamle kvasarer hjælper med at bekræfte kvanteindvikling

Sidste år, fysikere på MIT, universitetet i Wien, og andre steder gav stærk støtte til kvanteindvikling, den tilsyneladende fjerntliggende idé om, at to partikler, uanset hvor fjernt fra hinanden i rum og tid, kan være uløseligt forbundet, på en måde, der trodser reglerne for klassisk fysik.

Tage, for eksempel, to partikler, der sidder på hver sin side af universet. Hvis de virkelig er viklet ind, så ifølge teorien om kvantemekanik skulle deres fysiske egenskaber være relateret på en sådan måde, at enhver måling foretaget på en partikel øjeblikkeligt skulle formidle information om ethvert fremtidigt måleresultat af den anden partikel - korrelationer, som Einstein skeptisk så som "uhyggelig handling ved en afstand."

I 1960'erne, fysikeren John Bell beregnede en teoretisk grænse, over hvilken sådanne korrelationer skal have en kvante, snarere end en klassisk, forklaring.

Men hvad nu hvis sådanne sammenhænge ikke var resultatet af kvanteindvikling, men af ​​nogle andre skjulte, klassisk forklaring? Sådanne "hvad-hvis-er" er kendt for fysikere som smuthuller til test af Bells ulighed, den mest stædige af dem er "valgfrihed" smuthul:muligheden for at nogle skjulte, klassisk variabel kan påvirke den måling, en eksperimentator vælger at udføre på en sammenfiltret partikel, får resultatet til at se kvantemæssigt korreleret ud, når det faktisk ikke er det.

I februar sidste år, MIT-teamet og deres kolleger begrænsede betydeligt valgfrihedshullet, ved at bruge 600 år gammel stjernelys til at bestemme, hvilke egenskaber ved to sammenfiltrede fotoner der skal måles. Deres eksperiment viste, at hvis en klassisk mekanisme forårsagede de korrelationer, de observerede, det skulle have været sat i gang for mere end 600 år siden, før stjernernes lys først blev udsendt og længe før det egentlige eksperiment overhovedet blev udtænkt.

Nu, i et papir, der blev offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve , det samme team har i vid udstrækning udvidet sagen om kvanteindvikling og yderligere begrænset mulighederne for smuthul i valgfrihed. Forskerne brugte fjerne kvasarer, den ene udsendte sit lys for 7,8 milliarder år siden og den anden for 12,2 milliarder år siden, at bestemme de målinger, der skal foretages på par af sammenfiltrede fotoner. De fandt sammenhænge blandt mere end 30, 000 par fotoner, i en grad, der langt oversteg den grænse, som Bell oprindeligt beregnede for en klassisk baseret mekanisme.

"Hvis der sker en konspiration for at simulere kvantemekanik ved en mekanisme, der faktisk er klassisk, denne mekanisme ville have været nødt til at starte sin operation - på en eller anden måde ved præcis hvornår, hvor, og hvordan dette eksperiment skulle udføres - for mindst 7,8 milliarder år siden. Det virker utroligt usandsynligt, så vi har meget stærkt bevis på, at kvantemekanik er den rigtige forklaring, "siger medforfatter Alan Guth, Victor F. Weisskopf professor i fysik ved MIT.

"Jorden er omkring 4,5 milliarder år gammel, så enhver alternativ mekanisme - forskellig fra kvantemekanik - der kunne have frembragt vores resultater ved at udnytte dette smuthul, skulle have været på plads længe før der var en planet Jorden, endsige et MIT, "tilføjer David Kaiser, Germeshausen-professoren i videnskabshistorie og professor i fysik ved MIT. "Så vi har skubbet eventuelle alternative forklaringer tilbage til meget tidligt i den kosmiske historie."

Guth og Kaisers medforfattere omfatter Anton Zeilinger og medlemmer af hans gruppe ved det østrigske videnskabsakademi og universitetet i Wien, samt fysikere ved Harvey Mudd College og University of California i San Diego.

En beslutning, tjente milliarder af år siden

I 2014, Kaiser og to medlemmer af det nuværende hold, Jason Gallicchio og Andrew Friedman, foreslog et eksperiment for at producere sammenfiltrede fotoner på Jorden - en proces, der er temmelig standard i undersøgelser af kvantemekanik. De planlagde at skyde hvert medlem af det sammenfiltrede par i modsatte retninger, mod lysdetektorer, der også ville foretage en måling af hver foton ved hjælp af en polarisator. Forskere ville måle polarisationen, eller orientering, af hver indkommende fotons elektriske felt, ved at indstille polarisatoren i forskellige vinkler og observere, om fotonerne passerede igennem - et resultat for hver foton, som forskere kunne sammenligne for at afgøre, om partiklerne viste de kendetegnende korrelationer, der forudsiges af kvantemekanik.

Teamet tilføjede et unikt trin til det foreslåede eksperiment, som skulle bruge lys fra oldtiden, fjerne astronomiske kilder, såsom stjerner og kvasarer, for at bestemme den vinkel, hvor hver respektive polarisator skal indstilles. Da hver sammenfiltret foton var i flugt, på vej mod sin detektor med lysets hastighed, forskere ville bruge et teleskop placeret på hvert detektorsted til at måle bølgelængden af ​​en kvasars indkommende lys. Hvis det lys var rødere end en referencebølgelængde, polarisatoren ville vippe i en bestemt vinkel for at foretage en specifik måling af den indkommende sammenfiltrede foton - et målevalg, der blev bestemt af kvasaren. Hvis kvasarens lys var blåere end referencebølgelængden, polarisatoren ville vippe i en anden vinkel, udfører en anden måling af den sammenfiltrede foton.

I deres tidligere eksperiment, holdet brugte små baggårdsteleskoper til at måle lyset fra stjerner så tæt på som 600 lysår væk. I deres nye undersøgelse, forskerne brugte meget større, mere kraftfulde teleskoper til at fange det indkommende lys fra endnu mere ældgamle, fjerne astrofysiske kilder:kvasarer, hvis lys har bevæget sig mod Jorden i mindst 7,8 milliarder år - objekter, der er utroligt langt væk og alligevel er så lysende, at deres lys kan observeres fra Jorden.

Vanskelig timing

Den 11. januar, 2018, "uret havde lige tikket over midnat lokal tid, " som Kaiser husker, da omkring et dusin medlemmer af holdet samledes på en bjergtop på De Kanariske Øer og begyndte at indsamle data fra to store, 4 meter brede teleskoper:William Herschel-teleskopet og Telescopio Nazionale Galileo, begge beliggende på det samme bjerg og adskilt af omkring en kilometer.

Et teleskop fokuserede på en bestemt kvasar, mens det andet teleskop så på en anden kvasar på et andet sted på nattehimlen. I mellemtiden, forskere på en station placeret mellem de to teleskoper skabte par af sammenfiltrede fotoner og strålede partikler fra hvert par i modsatte retninger mod hvert teleskop.

I brøkdelen af ​​et sekund, før hver sammenfiltret foton nåede sin detektor, instrumenteringen afgjorde, om en enkelt foton, der ankom fra kvasaren, var mere rød eller blå, en måling, der derefter automatisk justerede vinklen på en polarisator, der i sidste ende modtog og detekterede den indkommende sammenfiltrede foton.

"Timingen er meget vanskelig, "Kaiser siger." Alt skal ske inden for meget stramme vinduer, opdaterer hvert mikrosekund eller deromkring. "

Afmystificerer et fatamorgana

Forskerne kørte deres eksperiment to gange, hver i omkring 15 minutter og med to forskellige par kvasarer. For hvert løb, de målte 17, 663 og 12, 420 par sammenfiltrede fotoner, henholdsvis. Inden for timer efter lukning af teleskopkuplerne og gennemgang af foreløbige data, holdet kunne se, at der var stærke korrelationer mellem fotonparrene, ud over den grænse, Bell har beregnet, hvilket indikerer, at fotonerne var korreleret på en kvantemekanisk måde.

Guth førte en mere detaljeret analyse for at beregne chancen, dog lille, at en klassisk mekanisme kunne have frembragt de sammenhænge, ​​teamet observerede.

Han regnede med, at for det bedste af de to løb, sandsynligheden for, at en mekanisme baseret på klassisk fysik kunne have opnået den observerede korrelation var omkring 10 til minus 20 - det vil sige, omkring en del i hundrede milliarder milliarder, "uhyggeligt lille, "Siger Guth. Til sammenligning, forskere har vurderet sandsynligheden for, at opdagelsen af ​​Higgs -bosonen kun var en chance for at være omkring en ud af en milliard.

"Vi gjorde det helt sikkert utroligt, at en lokal realistisk teori kunne ligge til grund for universets fysik, " siger Guth.

Og stadigvæk, der er stadig en lille åbning til smuthullet til valgfrihed. For at begrænse det endnu mere, holdet er underholdende ideer om at se endnu længere tilbage i tiden, at bruge kilder som kosmiske mikrobølge baggrundsfoton, der blev udsendt som reststråling umiddelbart efter Big Bang, selvom sådanne eksperimenter ville byde på en lang række nye tekniske udfordringer.

"Det er sjovt at tænke på nye typer eksperimenter, vi kan designe i fremtiden, men for nu, Vi er meget glade for, at vi var i stand til at løse dette smuthul så dramatisk. Vores eksperiment med kvasarer sætter ekstremt stramme begrænsninger på forskellige alternativer til kvantemekanik. Så mærkeligt som kvantemekanik kan virke, den matcher fortsat alle eksperimentelle test, vi kan udtænke, "Siger Kaiser.

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.