Beviser, at kvantesammenfiltring er ægte:Forsker besvarer spørgsmål om sine historiske eksperimenter

I 1930'erne, da videnskabsmænd, inklusive Albert Einstein og Erwin Schrödinger, først opdagede fænomenet sammenfiltring, var de forvirrede. Sammenfiltring krævede foruroligende nok, at to adskilte partikler forblev forbundet uden at være i direkte kontakt. Einstein kaldte den berømte sammenfiltring "uhyggelig handling på afstand", da partiklerne syntes at kommunikere hurtigere end lysets hastighed.

For at forklare de bizarre implikationer af sammenfiltring argumenterede Einstein sammen med Boris Podolsky og Nathan Rosen (EPR), at "skjulte variabler" burde føjes til kvantemekanikken for at forklare sammenfiltring og genskabe "lokalitet" og "kausalitet" til adfærden. af partiklerne. Locality angiver, at objekter kun påvirkes af deres umiddelbare omgivelser. Kausalitet siger, at en virkning ikke kan opstå før dens årsag, og at kausal signalering ikke kan forplante sig hurtigere end lysets hastighed. Niels Bohr bestred berømt EPR's argument, mens Schrödinger og Wendell Furry, som svar på EPR, uafhængigt antog, at sammenfiltring forsvinder med adskillelse af brede partikler.

Desværre var der dengang ingen eksperimentelt bevis for eller imod kvantesammenfiltring af vidt adskilte partikler. Eksperimenter har siden vist, at sammenfiltring er meget reel og grundlæggende for naturen. Desuden har kvantemekanikken nu vist sig at virke, ikke kun på meget korte afstande, men også på meget store afstande. Faktisk er Kinas kvantekrypterede kommunikationssatellit, Micius, afhængig af kvantesammenfiltring mellem fotoner, der er adskilt af tusindvis af kilometer.

Det allerførste af disse eksperimenter blev foreslået og udført af Caltech-alumnen John Clauser (BS '64) i henholdsvis 1969 og 1972. Hans resultater er baseret på Bells teorem, udtænkt af CERN-teoretikeren John Bell. I 1964 beviste Bell ironisk nok, at EPR's argument faktisk førte til den modsatte konklusion af, hvad EPR oprindeligt havde til hensigt at vise. Bell viste, at kvantesammenfiltring i virkeligheden er uforenelig med EPR's forestilling om lokalitet og kausalitet.

I 1969, mens han stadig var kandidatstuderende ved Columbia University, transformerede Clauser sammen med Michael Horne, Abner Shimony og Richard Holt Bells matematiske teorem fra 1964 til en meget specifik eksperimentel forudsigelse via det, der nu kaldes Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) ulighed (Deres papir er blevet citeret mere end 8.500 gange på Google Scholar.) I 1972, da han var postdoktor ved UC Berkeley og Lawrence Berkeley National Laboratory, var Clauser og kandidatstuderende Stuart Freedman de første til at bevise eksperimentelt, at to vidt adskilte partikler (ca. 10 fod fra hinanden) kan vikles ind. Clauser fortsatte med at udføre yderligere tre eksperimenter, der testede grundlaget for kvantemekanik og sammenfiltring, hvor hvert nyt eksperiment bekræftede og udvidede hans resultater. Freedman-Clauser-eksperimentet var den første test af CHSH-uligheden. Det er nu blevet testet eksperimentelt hundredvis af gange på laboratorier rundt om i verden for at bekræfte, at kvantesammenfiltring er reel.

Clausers arbejde gav ham 2010 Ulveprisen i fysik. Han delte det med Alain Aspect fra Institut d' Optique og Ecole Polytechnique og Anton Zeilinger fra Universitetet i Wien og det østrigske Videnskabsakademi "for en stadig mere sofistikeret serie af test af Bells uligheder, eller udvidelser deraf, ved hjælp af sammenfiltrede kvantetilstande, " ifølge prisen.

Her svarer John Clauser på spørgsmål om sine historiske eksperimenter.

Vi hører, at din idé om at teste principperne for sammenfiltring var utiltalende for andre fysikere. Kan du fortælle os mere om det?

I 1960'erne og 70'erne var eksperimentel afprøvning af kvantemekanik upopulær i Caltech, Columbia, UC Berkeley og andre steder. Mit fakultet på Columbia fortalte mig, at test af kvantefysik ville ødelægge min karriere. Mens jeg udførte Freedman-Clauser-eksperimentet i 1972 ved UC Berkeley, blev Caltechs Richard Feynman stærkt fornærmet over min uforskammede indsats og fortalte mig, at det var ensbetydende med at erklære en vantro på kvantefysik. Han insisterede arrogant på, at kvantemekanikken åbenlyst er korrekt og ikke behøver yderligere test! Min modtagelse på UC Berkeley var i bedste fald lunken og var kun mulig gennem venlighed og tolerance fra professorer Charlie Townes [Ph.D. '39, Nobelpristager '64] og Howard Shugart [BS '53], som tillod mig at fortsætte mine eksperimenter der.

I min korrespondance med John Bell udtrykte han præcis den modsatte holdning og opfordrede mig kraftigt til at lave et eksperiment. John Bells banebrydende arbejde fra 1964 om Bells sætning blev oprindeligt publiceret i terminalnummeret af et obskurt tidsskrift, Physics , og i en underjordisk fysikavis, Epistemological Letters . Det var først efter CHSH-avisen fra 1969 og Freedman-Clauser-resultaterne fra 1972 blev offentliggjort i Physical Review Letters at John Bell endelig åbent diskuterede sit arbejde. Han var klar over tabuet med at stille spørgsmålstegn ved kvantemekanikkens grundlag og havde aldrig diskuteret det med sine CERN-kolleger.

Hvad fik dig alligevel til at ville fortsætte med eksperimenterne?

En del af grunden til, at jeg ville teste ideerne, var, at jeg stadig forsøgte at forstå dem. Jeg fandt forudsigelserne for sammenfiltring at være tilstrækkelig bizarre til, at jeg ikke kunne acceptere dem uden at se eksperimentelle beviser. Jeg anerkendte også eksperimenternes grundlæggende betydning og ignorerede simpelthen mit fakultets karriereråd. Desuden havde jeg det meget sjovt med at lave noget meget udfordrende eksperimentel fysik med apparater, som jeg byggede for det meste ved at bruge rester af fysikafdelingens skrot. Inden Stu Freedman og jeg lavede det første eksperiment, troede jeg også personligt, at Einsteins skjulte-variable-fysik faktisk kunne være rigtigt, og hvis det er det, så ville jeg opdage det. Jeg fandt Einsteins ideer meget klare. Jeg fandt Bohrs temmelig mudret og svær at forstå.

Hvad forventede du at finde, da du lavede eksperimenterne?

I sandhed vidste jeg virkelig ikke, hvad jeg skulle forvente, bortset fra at jeg endelig ville afgøre, hvem der havde ret – Bohr eller Einstein. Jeg satsede ganske vist til fordel for Einstein, men jeg vidste faktisk ikke, hvem der skulle vinde. Det er som at gå på racerbanen. Man håber måske, at en bestemt hest vinder, men man ved det ikke rigtigt, før resultaterne er klar. I dette tilfælde viste det sig, at Einstein tog fejl. I traditionen fra Caltechs Richard Feynman og Kip Thorne [BS '62], som ville placere videnskabelige væddemål, havde jeg et væddemål med kvantefysikeren Yakir Aharonov om resultatet af Freedman-Clauser-eksperimentet. Mærkeligt nok gav han kun én dollar til mine to. Jeg tabte væddemålet og vedlagde en to-dollarseddel og tillykke, da jeg sendte ham et fortryk med vores resultater.

Jeg var meget ked af at se, at mit eget eksperiment havde bevist, at Einstein tog fejl. Men eksperimentet gav et 6,3-sigma-resultat mod ham [et fem-sigma-resultat eller højere betragtes som guldstandarden for betydning i fysik]. Men så fik Dick Holt og Frank Pipkins konkurrerende eksperiment på Harvard (aldrig offentliggjort) det modsatte resultat. Jeg spekulerede på, om jeg måske havde overset nogle vigtige detaljer. Jeg fortsatte alene på UC Berkeley for at udføre yderligere tre eksperimentelle test af kvantemekanik. Alle gav de samme konklusioner. Bohr havde ret, og Einstein tog fejl. Harvard-resultatet gentog sig ikke og var defekt. Da jeg genoprettede forbindelsen til mit Columbia-fakultet, sagde de alle:"Vi sagde det til jer! Hold nu op med at spilde penge og tag noget rigtig fysik." På det tidspunkt i min karriere var den eneste værdi i mit arbejde, at det viste, at jeg var en rimelig talentfuld eksperimentel fysiker. Alene denne kendsgerning skaffede mig et job hos Lawrence Livermore National Lab, hvor jeg forskede i plasmafysik med kontrolleret fusion.

Kan du hjælpe os med at forstå præcis, hvad dine eksperimenter viste?

For at afklare, hvad eksperimenterne viste, formulerede Mike Horne og jeg det, der nu er kendt som Clauser-Horne Local Realism [1974]. Yderligere bidrag til det blev efterfølgende tilbudt af John Bell og Abner Shimony, så måske er det mere korrekt kaldet Bell-Clauser-Horne-Shimony Local Realism. Lokal realisme var meget kortvarig som en levedygtig teori. Faktisk blev det eksperimentelt tilbagevist, selv før det var fuldt formuleret. Ikke desto mindre er lokal realisme heuristisk vigtig, fordi den viser i detaljer, hvad kvantemekanik ikke er.

Lokal realisme antager, at naturen består af ting, af objektivt virkelige objekter, dvs. e. ting, du kan lægge i en kasse. (En boks her er en imaginær lukket overflade, der definerer adskilte indvendige og udvendige volumener.) Den antager endvidere, at der eksisterer objekter, uanset om vi observerer dem eller ej. På samme måde antages der at opnås bestemte eksperimentelle resultater, uanset om vi ser på dem eller ej. Vi ved måske ikke, hvad stoffet er, men vi antager, at det eksisterer, og at det er fordelt i rummet. Ting kan udvikle sig enten deterministisk eller stokastisk. Lokal realisme antager, at tingene i en kasse har iboende egenskaber, og at når nogen udfører et eksperiment i boksen, er sandsynligheden for et resultat, der opnås, på en eller anden måde påvirket af egenskaberne af tingene i den kasse. Hvis man udfører sige et andet eksperiment med forskellige eksperimentelle parametre, så opnår man formodentlig et andet resultat. Antag nu, at man har to vidt adskilte kasser, som hver indeholder ting. Lokal realisme antager endvidere, at det eksperimentelle parametervalg, der foretages i én boks, ikke kan påvirke det eksperimentelle resultat i den fjerne boks. Lokal realisme forbyder derved uhyggelig handling på afstand. Det håndhæver Einsteins kausalitet, der forbyder enhver sådan ikke-lokal årsag og virkning. Overraskende nok er disse enkle og meget rimelige antagelser tilstrækkelige i sig selv til at tillade udledning af en anden vigtig eksperimentel forudsigelse, hvilket begrænser korrelationen mellem eksperimentelle resultater opnået i de adskilte kasser. Den forudsigelse er 1974 Clauser-Horne (CH) uligheden.

CHSH-ulighedens afledning fra 1969 havde krævet flere mindre supplerende antagelser, nogle gange kaldet "smuthuller". CH-ulighedens afledning eliminerer disse supplerende antagelser og er dermed mere generel. Der eksisterer kvantesammenfiltrede systemer, der er uenige med CH forudsigelsen, hvorved lokal realisme er modtagelig for eksperimentel modbevisning. CHSH- og CH-ulighederne er begge krænket, ikke kun af det første Freedman-Clauser-eksperiment fra 1972 og mit andet eksperiment fra 1976, men nu af bogstaveligt talt hundredvis af bekræftende uafhængige eksperimenter. Forskellige laboratorier har nu viklet og krænket CHSH-uligheden med fotonpar, berylliumionpar, ytterbiumionpar, rubidiumatompar, hele rubidium-atomer skypar, nitrogen ledige pladser i diamanter og Josephson fase qubits.

At teste lokal realisme og CH-uligheden blev af mange forskere anset for at være vigtig for at eliminere CHSH-smuthullerne. Der blev således gjort en betydelig indsats, da kvanteoptikteknologien blev forbedret og tilladt. At teste CH-uligheden var blevet en hellig gral-udfordring for eksperimentelister. Krænkelse af CH-uligheden blev endelig opnået først i 2013 og igen i 2015 på to konkurrerende laboratorier:Anton Zeilinger's gruppe ved University of Vienna, og Paul Kwiats gruppe ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Eksperimenterne i 2015 involverede 56 forskere! Lokal realisme er nu solidt tilbagevist! Overenskomsten mellem eksperimenterne og kvantemekanikken beviser nu klart, at ikke-lokal kvantesammenfiltring er reel.

Hvad er nogle af de vigtige teknologiske anvendelser af dit arbejde?

En anvendelse af mit arbejde er det enklest mulige objekt defineret af lokal realisme - en enkelt smule information. Lokal realisme viser, at en enkelt kvantemekanisk bit information, en "qubit", ikke altid kan lokaliseres i en rum-tid-boks. Denne kendsgerning udgør det grundlæggende grundlag for kvanteinformationsteori og kvantekryptografi. Caltechs kvantevidenskab og -teknologiprogram, 2019 $1,28-milliard US National Quantum Initiative, og 2019 $400 millioner Israeli National Quantum Initiative er alle afhængige af virkeligheden af ​​sammenfiltring. Det kinesiske Micius kvantekrypterede kommunikationssatellitsystems konfiguration er næsten identisk med Freedman-Clauser-eksperimentet. Den bruger CHSH-uligheden til at bekræfte forviklingens vedholdenhed gennem det ydre rum. + Udforsk yderligere

Forskere påviste krænkelse af Bells ulighed på frekvensbeholder sammenfiltrede fotonpar