Kvantelokalitet ved alle hastigheder

Fænomenet kvantelokalitet trodser vores daglige intuition. Det viser de stærke korrelationer mellem flere kvantepartikler, hvoraf nogle ændrer deres tilstand øjeblikkeligt, når de andre måles, uanset afstanden mellem dem. Selvom dette fænomen er blevet bekræftet for langsomt bevægelige partikler, det er blevet diskuteret, om ikke -lokalitet bevares, når partikler bevæger sig meget hurtigt ved hastigheder tæt på lysets hastighed, og endnu mere, når disse hastigheder er kvantemekanisk ubestemt. Nu, forskere fra universitetet i Wien, det østrigske videnskabsakademi og Perimeter Institute rapport i det seneste nummer af Fysisk gennemgangsbreve at ikke -lokalitet er en universel ejendom i verden, uanset hvordan og med hvilken hastighed kvantepartikler bevæger sig.

Det er let at illustrere, hvordan korrelationer kan opstå i hverdagen. Forestil dig, at du hver dag i måneden sender to af dine venner, Alice og Bob, en legetøjsmotor af et sæt på to til deres samling. Du kan vælge hver af motorerne til enten at være rød eller blå eller enten elektrisk eller damp. Dine venner er adskilt af en stor afstand og ved ikke om dit valg. Når deres pakker ankommer, de kan kontrollere farven på deres motor med en enhed, der kan skelne mellem rød og blå eller kontrollere, om motoren er elektrisk eller damp ved hjælp af en anden enhed. De sammenligner de målinger, der er foretaget over tid, for at lede efter bestemte korrelationer. I vores hverdag, sådanne sammenhænge adlyder to principper - "realisme" og "lokalitet". "Realisme" betyder, at Alice og Bob kun afslører hvilken farve eller mekanisme på motoren du tidligere havde valgt, og "lokalitet" betyder, at Alices måling ikke kan ændre farven eller mekanismen på Bobs motor (eller omvendt). Bells sætning, udgivet i 1964 og af nogle betragtet som en af ​​de mest dybtgående opdagelser i fysikkens grundlag, viste, at korrelationer i kvanteverdenen er uforenelige med de to principper-et fænomen kendt som kvantelokalitet.

Kvantelokalitet er blevet bekræftet i talrige forsøg, de såkaldte Bell-test, på atomer, ioner og elektroner. Det har ikke kun dybe filosofiske konsekvenser, men understøtter også mange af applikationerne såsom kvanteberegning og kvantesatellitkommunikation. Imidlertid, i alle disse eksperimenter, partiklerne var enten i ro eller bevægede sig ved lave hastigheder (forskere kalder dette regime "ikke-relativistisk"). Et af de uløste problemer på dette område, hvilket stadig undrer fysikere, er, om ikke -lokalitet bevares, når partikler bevæger sig ekstremt hurtigt, tæt på lysets hastighed (dvs. i det relativistiske regime), eller når de ikke engang bevæger sig med en veldefineret hastighed.

For to kvantepartikler i en Bells test, der bevæger sig ved høje hastigheder, forskere forudsiger, at korrelationerne mellem partiklerne er, i princippet, reduceret. Imidlertid, hvis Alice og Bob tilpasser deres målinger på en måde, der afhænger af partiklernes hastighed, er korrelationerne mellem resultaterne af deres målinger stadig ikke -lokale. Nu, forestil dig, at partiklerne ikke kun bevæger sig meget hurtigt, men deres hastighed er også ubestemt:hver partikel bevæger sig i en såkaldt superposition af forskellige hastigheder samtidigt, ligesom den berygtede Schrödingers kat samtidig er død og levende. I et sådant tilfælde, er deres beskrivelse af verden stadig ikke-lokal?

Forskere, ledet af Časlav Brukner ved universitetet i Wien og det østrigske videnskabsakademi, har vist, at Alice og Bob faktisk kan designe et eksperiment, der skulle bevise, at verden er ikke -lokal. For det, de brugte et af de mest grundlæggende fysiske principper, nemlig at fysiske fænomener ikke afhænger af den referenceramme, hvorfra vi observerer dem. For eksempel, ifølge dette princip, enhver observatør, uanset om du flytter eller ej vil se, at et æble, der falder fra et træ, vil røre jorden. Forskerne gik et skridt videre og udvidede dette princip til referencerammer "fastgjort" til kvantepartikler. Disse kaldes "kvante -referencerammer". Den centrale indsigt er, at hvis Alice og Bob kunne bevæge sig med kvante -referencerammerne sammen med deres respektive partikler, de kunne udføre den sædvanlige Bell -test, siden for dem ville partiklerne hvile. På denne måde, de kan bevise kvantelokalitet for enhver kvantepartikel, uanset om hastigheden er ubestemt eller tæt på lysets.

Flaminia Giacomini, en af ​​undersøgelsens forfattere, siger, "Vores resultat viser, at det er muligt at designe et Bell -eksperiment for partikler, der bevæger sig i en kvantesuperposition ved meget høje hastigheder." Medforfatteren, Lucas Streiter, slutter, "Vi har vist, at ikke -lokalitet er en universel ejendom i vores verden." Deres opdagelse forventes at åbne applikationer inden for kvanteteknologier, såsom kvantesatellitkommunikation og kvanteberegning, ved hjælp af relativistiske partikler.