Kan vi se kvantekorrelationer på makroskopisk skala?

Et af de mest fundamentale træk ved kvantefysikken er Bells ikke-lokalitet:det faktum, at forudsigelserne fra kvantemekanikken ikke kan forklares af nogen lokal (klassisk) teori. Dette har bemærkelsesværdige konceptuelle konsekvenser og vidtrækkende anvendelser inden for kvanteinformation.

Imidlertid, i vores daglige oplevelse, makroskopiske objekter ser ud til at opføre sig i overensstemmelse med reglerne for klassisk fysik, og de sammenhænge, ​​vi ser, er lokale. Er dette virkelig tilfældet, eller kan vi udfordre denne opfattelse? I en nylig avis i Fysisk gennemgangsbreve , videnskabsmænd fra universitetet i Wien og Institut for kvanteoptik og kvanteinformation (IQOQI) fra det østrigske videnskabsakademi har vist, at det er muligt fuldt ud at bevare kvanteteoriens matematiske struktur i den makroskopiske grænse. Dette kunne føre til observationer af kvante-ikke-lokalitet på makroskopisk skala.

Vores hverdagserfaring fortæller os, at makroskopiske systemer adlyder klassisk fysik. Det er derfor naturligt at forvente, at kvantemekanikken skal gengive klassisk mekanik i den makroskopiske grænse. Dette er kendt som korrespondanceprincippet, som etableret af Bohr i 1920. Et simpelt argument til at forklare denne overgang fra kvantemekanik til klassisk mekanik er den grovkornede mekanisme:hvis målinger udført på makroskopiske systemer har begrænset opløsning og ikke kan opløse individuelle mikroskopiske partikler, så opfører resultaterne sig klassisk.

Sådan et argument, anvendt på (ikke-lokale) Bell-korrelationer, fører til princippet om makroskopisk lokalitet. Tilsvarende tidsmæssige kvantekorrelationer reduceres til klassiske korrelationer (makroskopisk realisme) og kvantekontekstualitet reduceres til makroskopisk ikke-kontekstualitet. Det var stærkt antaget, at kvante-til-klassisk overgang er universel, selvom der manglede et generelt bevis. For at illustrere pointen, lad os tage eksemplet med kvante-ikke-lokalitet.

Antag, at vi har to fjerne observatører, Alice og Bob, som ønsker at måle styrken af ​​sammenhængen mellem deres lokale systemer. Vi kan forestille os en typisk situation, hvor Alice måler sin lille kvantepartikel, og Bob gør det samme med sin, og de kombinerer deres observationsresultater for at beregne den tilsvarende korrelation. Da deres resultater i sagens natur er tilfældige (som det altid er tilfældet i kvanteeksperimenter), de skal gentage forsøget et stort antal gange for at finde middelværdien af ​​korrelationerne. Nøgleantagelsen i denne sammenhæng er, at hver kørsel af eksperimentet skal gentages under nøjagtig de samme betingelser og uafhængigt af andre kørsler, som er kendt som IID (uafhængig og identisk distribueret) antagelse.

For eksempel, når du udfører tilfældige møntkast, vi er nødt til at sikre, at hver kast er retfærdig og upartisk, hvilket resulterer i en målt sandsynlighed på (ca.) 50 % for hoveder/haler efter mange gentagelser. En sådan antagelse spiller en central rolle i den eksisterende evidens for reduktionen til klassiskalitet i den makroskopiske grænse. Imidlertid, makroskopiske eksperimenter overvejer klynger af kvantepartikler, der er pakket sammen og målt sammen med en begrænset opløsning (grovkornet). Disse partikler interagerer med hinanden, så det er ikke naturligt at antage, at korrelationer på mikroskopisk niveau er fordelt i enheder af uafhængige og identiske par. Hvis så, hvad sker der, hvis vi dropper IID-antagelsen? Opnår vi stadig reduktion til klassisk fysik på grænsen af ​​et stort antal partikler?

I deres seneste arbejde, Miguel Gallego (University of Wien) og Borivoje Dakić (University of Wien og IQOQI) har vist, at overraskende, kvantekorrelationer overlever i den makroskopiske grænse, hvis korrelationer ikke er IID-fordelt på niveau med mikroskopiske bestanddele.

"IID-antagelsen er ikke naturlig, når man har at gøre med et stort antal mikroskopiske systemer. Små kvantepartikler interagerer stærkt, og kvantekorrelationer og sammenfiltring er fordelt overalt. Givet et sådant scenarie, vi reviderede eksisterende beregninger og var i stand til at finde fuldstændig kvanteadfærd på makroskopisk skala. Dette er fuldstændig imod korrespondanceprincippet, og overgangen til klassiskitet finder ikke sted", siger Borivoje Dakić.

Ved at overveje observerbare udsving (afvigelser fra forventningsværdier) og en bestemt klasse af sammenfiltrede mange-legeme-tilstande (ikke-IID-tilstande), forfatterne viser, at hele kvanteteoriens matematiske struktur (f.eks. Borns regel og superpositionsprincippet) bevares i grænsen. Denne ejendom, som de kalder makroskopisk kvanteadfærd, giver dem direkte mulighed for at vise, at Bells ikke-lokalitet er synlig i den makroskopiske grænse. "Det er fantastisk at have kvanteregler på makroskopisk skala. Vi skal bare måle udsving, afvigelser fra forventede værdier, og vi vil se kvantefænomener i makroskopiske systemer. Jeg tror, ​​at dette åbner døren til nye eksperimenter og anvendelser, " siger Miguel Gallego.