Алберт Айнщайн е изразявал съмнения относно един от най-мистериозните аспекти на квантовата теория – квантовото заплитане. Тази връзка между две частици, независимо от разстоянието между тях, никога не е убедила Айнщайн.
Наскоро обаче швейцарски изследователи направиха значителен пробив, като демонстрираха, че отдалечените квантови обекти могат да бъдат свързани много по-тясно, отколкото е възможно в традиционните системи. Първият по рода си тест „без вратичка“ на Бел, използващ свръхпроводими вериги, ни приближава една стъпка по-близо до изграждането на жизнеспособни квантови компютри.
Айнщайн е един от пионерите на квантовата физика, но той е изразявал съмнения относно по-нататъшното развитие на тази нова физика. Според него науката трябва точно да опише реалността на физическия свят, което квантовата физика, основана главно на вероятностите, невинаги прави по осезаем начин.
Учен за първи път телепортира енергия
Това противоречие се проявява особено ярко във връзка с квантовото заплитане, според което две частици се заплитат, когато имат обща история, например, когато произхождат от един и същ атом. Тоест независимо колко далеч са един от друг, те продължават да бъдат в мигновена връзка.
За да илюстрира парадокса на заплитането, който противоречи на принципа на локалността (че два отдалечени обекта не могат да си влияят един на друг), през 1935 г. Айнщайн излиза с мисловен експеримент, известен като EPR paradox (Парадокс на Айнщайн – Подолски – Розен). Споделяйки опасенията на Айнщайн, през 1964 г. Джон Стюарт Бел предлага един вид „тест“ за квантовата теория, наречен неравенства на Бел. Ако резултатите от EPR експеримента са в съответствие с тези неравенства, това би означавало, че квантовата физика е непълна и че квантовото заплитане е чисто илюзорно.
Оттогава голям брой учени са демонстрирали, че неравенствата на Бел се нарушават, потвърждавайки, че квантовата физика се явява самостоятелна теория. Но за да се стигне до това заключение, са използвани няколко вратички, тоест – определени предположения. Така теоретично може да се окаже, че Айнщайн е бил прав, когато е бил скептичен по отношение на квантовата механика.
Извънземни цивилизации може да ни пращат квантови съобщения
Наскоро екип от изследователи, ръководен от Андреас Валраф, професор в ETH Zurich, е провел тест на Бел, за да опровергае окончателно концепцията на Айнщайн за „локалната причинност“. Демонстрирайки, че отдалечените квантово-механични обекти могат да корелират един с друг много по-силно, отколкото е възможно в обичайните системи, изследователите предоставили допълнително потвърждение на квантовата механика.
Забележителен аспект на този експеримент се явява това, че за първи път изследователите успели да го проведат с използването на свръхпроводими вериги, които се разглеждат като обещаващи кандидати за изграждане на мощни квантови компютри. Изследването на учените е публикувано в престижното списание Nature.
Бел предлага да се направи произволно измерване на две заплетени частици и да се сравни резултатът с неравенството на Бел. Ако концепцията на Айнщайн за локална причинност е вярна, то тези експерименти винаги трябва да удовлетворяват неравенството на Бел. От друга страна, квантовата механика предсказва, че те ще го нарушават.
Айнщайн може да греши. Физици допускат, че времето може да не съществува
За да извършат правилно теста на Бел без вратички, изследователите трябвало да се убедят, че до завършване на квантовите измервания между двете сложни схеми не може да има обмен на информация. Следователно измерването трябвало да бъде изпълнено за по-малко време, отколкото е необходимо на частица светлина (предаваща информация) да се премести от една верига в друга.
По такъв начин, когато се организира експеримент, е много важно да се намери баланс: колкото по-голямо е разстоянието между две свръхпроводими вериги, толкова повече време се изразходва за измерването и толкова по-сложна става експерименталната установка. Всъщност целият експеримент трябва да се проведе във вакуум, близък до абсолютната нула.
Изследователите са установили, че минималното разстояние за провеждане на експеримента е 33 метра, тъй като са необходими около 110 наносекунди на частица светлина да измине това разстояние във вакуум.
Затова екипът на Валраф построил впечатляваща инсталация: във всеки край се намирал криостат, съдържащ свръхпроводима верига. Те били свързани с 30-метрова тръба, чиято вътрешност се охлажда до температура, близка до абсолютната нула (-273,15°C), което създава идеален вакуум.
10 открития, които доказват, че Айнщайн е бил прав за Вселената, и 1, което доказва, че греши
Преди началото на всяко измерване фотон се предава от едната свръхпроводима верига към другата. След оценка на повече от милион измервания на двете вериги, изследователите демонстрирали с висока степен на статистическа достоверност, че неравенството на Бел се нарушава в тази експериментална конфигурация, доказвайки недвусмислено реалността на квантовото заплитане.
„Модифицираните тестове на Бел може да се използват в криптографията, например за да демонстрират, че информацията наистина се предава в криптиран вид“, обяснява Саймън Щорц, докторант в групата на Валраф.
Експериментът, проведен от изследователите на ETH, потвърждава също, че свръхпроводимите вериги работят според законите на квантовата механика, независимо че са много по-големи от микроскопичните квантови обекти като фотони или йони. Това отваря интересни възможности за приложение в областта на разпределените квантови изчисления за свързване на свръхпроводими квантови компютри на големи разстояния.
