Cracking en årtier gammel test, forskere støtter sagen om kvantemekanik

I en ny undersøgelse, forskere demonstrerer kreativ taktik for at slippe af med smuthuller, der længe har forvirret tests af kvantemekanik. Med deres innovative metode, forskerne var i stand til at demonstrere kvanteinteraktioner mellem to partikler med en afstand på mere end 180 meter (590 fod) fra hinanden, mens de eliminerede muligheden for, at fælles begivenheder i løbet af de sidste 11 år påvirkede deres interaktion.

Et papir, der forklarer disse resultater, vil blive præsenteret på konferencen Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), afholdt 15. - 19. september i Washington, D.C., USA.

Kvantefænomener undersøges for applikationer inden for computing, kryptering, sansning og mere, men forskere forstår endnu ikke helt fysikken bag dem. Det nye arbejde kan hjælpe med at fremme kvanteapplikationer ved at forbedre teknikker til sondering af kvantemekanik.

En test for kvanteteorier

Fysikere har længe kæmpet med forskellige ideer om de kræfter, der styrer vores verden. Mens teorier om kvantemekanik gradvist har overhalet den klassiske mekanik, mange aspekter af kvantemekanikken forbliver mystiske. I 1960'erne, fysikeren John Bell foreslog en måde at teste kvantemekanik kendt som Bells ulighed.

Tanken er, at to parter, tilnavnet Alice og Bob, foretage målinger på partikler, der er placeret langt fra hinanden, men er forbundet med hinanden via kvanteindvikling.

Hvis verden virkelig udelukkende var styret af kvantemekanik, disse fjerne partikler ville blive styret af en ikke -lokal korrelation gennem kvanteinteraktioner, sådan at måling af tilstanden for den ene partikel påvirker tilstanden af ​​den anden. Imidlertid, nogle alternative teorier tyder på, at partiklerne kun ser ud til at påvirke hinanden, men at de i virkeligheden er forbundet med andre skjulte variabler efter klassisk, frem for kvante, fysik.

Forskere har udført mange eksperimenter for at teste Bells ulighed. Imidlertid, eksperimenter kan ikke altid være perfekte, og der er kendte smuthuller, der kan forårsage vildledende resultater. Mens de fleste eksperimenter stærkt har understøttet konklusionen om, at der findes kvanteinteraktioner, disse smuthuller efterlader stadig en fjern mulighed for, at forskere utilsigtet kan påvirke skjulte variabler, derved efterlader plads til tvivl.

Lukning af smuthuller

I den nye undersøgelse, Li og hans kolleger demonstrerer måder at lukke disse smuthuller på og tilføjer til beviset for, at kvantemekanik styrer interaktionerne mellem de to partikler.

"Vi realiserede en smuthulfri Bell-test med måleindstillingerne bestemt af fjerntliggende kosmiske fotoner. Således verificerede vi kvantemekanikkens fuldstændighed med høj tillidssandsynlighed, "sagde Ming-Han Li fra University of Science and Technology i Kina, der er hovedforfatter på papiret.

Deres eksperimentelle opsætning omfatter tre hovedkomponenter:en enhed, der periodisk sender par af sammenfiltrede fotoner og to stationer, der måler fotoner. Disse stationer er Alice og Bob, på sprogbrug af Bells ulighed. Den første målestation er 93 meter (305 fod) fra fotonparrets kilde, og den anden station er 90 meter (295 fod) væk i den modsatte retning.

De sammenfiltrede fotoner bevæger sig gennem optisk fiber i enkelt tilstand til målestationerne, hvor deres polarisationstilstand måles med en Pockels-celle, og fotonerne detekteres ved hjælp af superledende nanotråd-enkeltfotondetektorer.

Ved udformningen af ​​deres eksperiment, forskerne forsøgte at overvinde tre nøgleproblemer:ideen om, at tab og støj gør detektion upålidelig (detekteringshullet), tanken om, at enhver kommunikation, der påvirker Alice's og Bobs målevalg, gør målingen snydbar (lokalitetens smuthul), og tanken om, at et måleindstillingsvalg, der ikke er "virkelig frit og tilfældigt", gør, at resultatet kan kontrolleres af en skjult årsag i den fælles fortid (valgfrihed-smuthul).

For at løse det første problem, Li og hans kolleger demonstrerede, at deres setup opnåede et tilstrækkeligt lavt niveau af tab og støj ved at sammenligne målinger foretaget i begyndelsen og slutningen af ​​fotonens rejse. For at behandle det andet, de byggede det eksperimentelle setup med rumlignende adskillelse mellem begivenhederne ved valg af måleindstilling. For at behandle den tredje, de baserede deres måleindstillingsvalg på kosmisk fotonadfærd fra 11 år tidligere, hvilket giver stor tillid til, at intet i partiklernes fælles fortid - i mindst de sidste 11 år - skabte en skjult variabel, der påvirker resultatet.

Kombination af teoretisk beregnede forudsigelser med eksperimentelle resultater, forskerne var i stand til at demonstrere kvanteinteraktioner mellem de sammenfiltrede fotonpar med en høj grad af tillid og troskab. Deres eksperiment giver således robust bevis på, at kvanteeffekter, frem for skjulte variabler, står bag partiklernes adfærd.