Альберт Эйнштейн, ключевая фигура в развитии квантовой теории, тем не менее, выразил сомнения по поводу одного из самых загадочных ее аспектов — квантовой запутанности. Эта исключительная корреляция между двумя частицами, независимо от расстояния между ними, так и не убедила Эйнштейна. Однако недавно швейцарские исследователи совершили значительный прорыв, продемонстрировав, что удаленные квантовые объекты могут быть связаны гораздо теснее, чем это возможно в традиционных системах. Первый в истории тест Белла «без лазейки» с использованием сверхпроводящих цепей еще на один шаг приближает нас к созданию жизнеспособных квантовых компьютеров.
Эйнштейн был одним из пионеров квантовой физики, продемонстрировав существование атомов и открыв кванты света (фотоны), но он выразил сомнения по поводу дальнейшего развития этой новой физики. По его мнению, наука должна точно описывать реальность физического мира, что квантовая физика, основанная в основном на вероятностях, не всегда делает осязаемым образом.
Особенно ярко это противоречие проявляется в отношении квантовой запутанности — понятия, вытекающего из этих предположений, которое гласит, что две частицы запутываются, когда у них общая история, например, когда они происходят из одного и того же атома. Это подразумевает, что независимо от того, как далеко они находятся друг от друга, они продолжают действовать по отношению друг к другу одинаково.
Для иллюстрации парадокса запутывания, который противоречит принципу локальности (что два удаленных объекта не могут влиять друг на друга), Эйнштейн в 1935 году придумал мысленный эксперимент, известный как парадокс ЭПР (Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена). Разделяя беспокойство Эйнштейна, в 1964 году Джон Стюарт Белл предложил своего рода «тест» для квантовой теории, названный неравенствами Белла. Если бы результаты эксперимента ЭПР соответствовали этим неравенствам, это означало бы, что квантовая физика является неполной (со слабыми предположениями и вероятностями), и что квантовая запутанность является чисто иллюзорной.
С тех пор большое количество ученых продемонстрировали, что неравенства Белла нарушаются, подтвердив, что квантовая физика является самостоятельной теорией. Однако, чтобы прийти к этому выводу, было использовано несколько лазеек, то есть были сделаны определенные предположения. Таким образом, теоретически может оказаться, что Эйнштейн был прав, когда скептически относился к квантовой механике.
Недавно группа исследователей под руководством Андреаса Валлраффа, профессора ETH Zurich, провела беспроигрышный тест Белла, чтобы окончательно опровергнуть концепцию Эйнштейна о «локальной причинности». Продемонстрировав, что удаленные квантово-механические объекты могут коррелировать друг с другом гораздо сильнее, чем это возможно в обычных системах, исследователи предоставили дальнейшее подтверждение квантовой механики.
Примечательным аспектом этого эксперимента является то, что исследователи впервые смогли провести его с использованием сверхпроводящих схем, которые рассматриваются в качестве перспективных кандидатов для создания мощных квантовых компьютеров. Их работа была опубликована в престижном журнале .
30 метров вакуума и сверхпроводники для окончания старого спора
Белл предложил провести случайное измерение двух одновременно запутанных частиц и сравнить результат с неравенством Белла. Если концепция локальной причинности Эйнштейна верна, то эти эксперименты должны всегда удовлетворять неравенству Белла. С другой стороны, квантовая механика предсказывает, что они будут его нарушать.
Чтобы правильно провести тест Белла без лазеек, исследователи должны убедиться, что до завершения квантовых измерений между двумя сложными схемами не может происходить обмен информацией. Поэтому измерение должно быть выполнено за меньшее время, чем требуется частице света (передающей информацию) для перемещения из одной цепи в другую.
Таким образом, при постановке эксперимента очень важно найти баланс: чем больше расстояние между двумя сверхпроводящими контурами, тем больше времени отводится на измерение и тем сложнее становится экспериментальная установка. Действительно, весь эксперимент должен проводиться в вакууме, близком к абсолютному нулю.
В пресс-релизе ETH исследователи объясняют, что они определили, что минимальное расстояние для проведения эксперимента составляет 33 метра, поскольку частице света требуется около 110 наносекунд, чтобы пройти это расстояние в вакууме.
Поэтому команда Валраффа построила впечатляющую установку: на каждом конце находится криостат, содержащий сверхпроводящий контур. Эти два охлаждающих устройства соединены 30-метровой трубой, внутренняя поверхность которой охлаждена до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273,15 °C), что создает идеальный вакуум.
Перед началом каждого измерения фотон передается от одного из двух сверхпроводящих контуров к другому, таким образом запутывая оба контура. Оценив более миллиона измерений на двух контурах, исследователи с высокой степенью статистической достоверности продемонстрировали, что неравенство Белла нарушается в этой экспериментальной конфигурации, однозначно доказав реальность квантовой запутанности.
Конкретные применения
Саймон Шторц, докторант из группы Валлраффа, объясняет: «Модифицированные тесты Белла могут использоваться в криптографии, например, для демонстрации того, что информация действительно передается в зашифрованном виде«.
Эксперимент, проведенный исследователями ETH, также подтверждает, что сверхпроводящие цепи работают по законам квантовой механики, несмотря на то, что они гораздо больше, чем микроскопические квантовые объекты, такие как фотоны или ионы. Это открывает интересные возможности применения в области распределенных квантовых вычислений, для соединения сверхпроводящих квантовых компьютеров на больших расстояниях.