Kwantumverstrengeling lijkt misschien dichter bij sciencefiction te staan ​​dan wat dan ook in onze fysieke realiteit. Maar volgens de wetten van de kwantummechanica - een tak van de natuurkunde die de wereld beschrijft op de schaal van atomen en subatomaire deeltjes - kwantumverstrengeling, die Einstein ooit sceptisch beschouwde als "spookachtige actie op afstand, " is, in feite, echt.

Stel je twee stofdeeltjes voor aan tegenovergestelde uiteinden van het heelal, gescheiden door enkele miljarden lichtjaren. De kwantumtheorie voorspelt dat, ongeacht de grote afstand die hen scheidt, deze twee deeltjes kunnen verstrengeld zijn. Dat is, elke meting die op iemand wordt gedaan, geeft onmiddellijk informatie over de uitkomst van een toekomstige meting van zijn partner. In dat geval, de resultaten van metingen op elk lid van het paar kunnen sterk gecorreleerd raken.

Indien, in plaats daarvan, het universum gedraagt ​​​​zich zoals Einstein zich had voorgesteld - met deeltjes die hun eigen, bepaalde eigenschappen voorafgaand aan de meting, en met lokale oorzaken die alleen lokale effecten kunnen opleveren - dan zou er een bovengrens moeten zijn aan de mate waarin metingen aan elk lid van het paar deeltjes kunnen worden gecorreleerd. Natuurkundige John Bell kwantificeerde die bovengrens, nu bekend als "Bell's ongelijkheid, "Meer dan 50 jaar geleden.

In tal van eerdere experimenten, natuurkundigen hebben correlaties waargenomen tussen deeltjes die de limiet van Bell's ongelijkheid overschrijden, wat suggereert dat ze inderdaad verstrengeld zijn, net zoals voorspeld door de kwantumtheorie. Maar elke dergelijke test is onderworpen aan verschillende "mazen in de wet, "scenario's die de waargenomen correlaties zouden kunnen verklaren, zelfs als de wereld niet door de kwantummechanica zou worden beheerst.

Nutsvoorzieningen, natuurkundigen van MIT, de Universiteit van Wenen, en elders een maas in de tests van Bells ongelijkheid hebben aangepakt, bekend als de maas in de keuzevrijheid, en hebben een sterke demonstratie van kwantumverstrengeling gepresenteerd, zelfs wanneer de kwetsbaarheid voor deze maas in de wet aanzienlijk wordt beperkt.

"Het onroerend goed dat overblijft voor de sceptici van de kwantummechanica is aanzienlijk geslonken, " zegt David Keizer, de Germeshausen Professor of the History of Science en professor in de natuurkunde aan het MIT. "We zijn er niet vanaf gekomen, maar we hebben het met 16 orden van grootte gekrompen."

Een onderzoeksteam inclusief Kaiser; Alan Guth, de Victor F. Weisskopf hoogleraar natuurkunde aan het MIT; Andrew Friedman, een MIT-onderzoeksmedewerker; en collega's van
de Universiteit van Wenen en elders heeft haar resultaten vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven .

De deur sluiten voor kwantumalternatieven

De vrijheid van keuze maas in de wet verwijst naar het idee dat onderzoekers totale vrijheid hebben bij het kiezen van hun experimentele opstelling, van de soorten deeltjes tot verstrengeling, op de metingen die ze aan die deeltjes willen doen. Maar wat als er andere factoren of verborgen variabelen waren die verband hielden met de experimentele opstelling, waardoor de resultaten kwantumverstrengeld lijken te zijn, terwijl ze in feite het resultaat waren van een niet-kwantummechanisme?

Natuurkundigen hebben geprobeerd deze maas in de wet te dichten met extreem gecontroleerde experimenten, waarin ze een paar verstrengelde fotonen produceren uit een enkele bron, stuur de fotonen vervolgens naar twee verschillende detectoren en meet de eigenschappen van elk foton om hun correlatiegraad te bepalen, of verstrikking. Om de mogelijkheid uit te sluiten dat verborgen variabelen de resultaten hebben beïnvloed, onderzoekers hebben generatoren voor willekeurige getallen bij elke detector gebruikt om te beslissen welke eigenschap van elk foton moet worden gemeten, in de fractie van een seconde tussen het moment waarop het foton de bron verlaat en bij de detector aankomt.

Maar er is een kans, hoe klein ook, dat verborgen variabelen, of niet-kwantuminvloeden, kan een generator van willekeurige getallen beïnvloeden voordat deze zijn beslissing van een fractie van een seconde doorgeeft aan de fotondetector.

"De kern van kwantumverstrengeling is de hoge mate van correlaties in de uitkomsten van metingen aan deze paren [deeltjes], " Zegt Kaiser. "Maar wat als een scepticus of criticus volhield dat deze correlaties niet te wijten waren aan het feit dat deze deeltjes op een volledig kwantummechanische manier werken? We willen nagaan of er een andere manier is waarop die correlaties kunnen zijn binnengeslopen zonder dat we het hebben gemerkt."

"Sterren uitgelijnd"

In 2014, keizer, Friedman, en hun collega Jason Gallicchio (nu professor aan het Harvey Mudd College) stelden een experiment voor om oude fotonen uit astronomische bronnen zoals sterren of quasars te gebruiken als "kosmische setting generatoren, " in plaats van generatoren van willekeurige getallen op aarde, om de metingen te bepalen die aan elk verstrengeld foton moeten worden gedaan. Dergelijk kosmisch licht zou op aarde aankomen van objecten die heel ver weg zijn - overal van tientallen tot miljarden lichtjaren verwijderd. Dus, als sommige verborgen variabelen de willekeur van de keuze van metingen zouden verstoren, ze zouden die veranderingen in gang hebben moeten zetten voordat het licht de kosmische bron verliet, lang voordat het experiment op aarde werd uitgevoerd.

In deze nieuwe krant de onderzoekers hebben hun idee voor het eerst experimenteel gedemonstreerd. Het team, waaronder professor Anton Zeilinger en zijn groep aan de

Universiteit van Wenen en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, een bron opgezet om sterk verstrengelde fotonenparen te produceren op het dak van een universitair laboratorium in Wenen. In elke experimentele run, ze schoten de verstrengelde fotonen in tegengestelde richtingen uit, in de richting van detectoren die zich in gebouwen enkele straten verderop bevinden - de Oostenrijkse Nationale Bank en een tweede universiteitsgebouw.

De onderzoekers zetten ook telescopen op beide detectorlocaties en trainden ze op sterren, waarvan de dichtstbijzijnde ongeveer 600 lichtjaar verwijderd is, waarvan ze eerder hadden vastgesteld dat ze voldoende fotonen zouden sturen, of sterrenlicht, in hun richting.

"Op die avonden de sterren uitgelijnd, " zegt Friedman. "En met heldere sterren zoals deze, het aantal binnenkomende fotonen kan als een brandslang zijn. Dus we hebben deze zeer snelle detectoren die detecties van kosmische fotonen kunnen registreren op subnanoseconde tijdschalen."

"Out of Whack" met Einstein

In de paar microseconden voordat een verstrengeld foton bij een detector arriveerde, de onderzoekers gebruikten elke telescoop om snel een eigenschap van een inkomend stellair foton te meten - in dit geval of de golflengte ervan roder of blauwer was dan een bepaalde referentiegolflengte. Vervolgens gebruikten ze deze willekeurige eigenschap van het stellaire foton, 600 jaar geleden gegenereerd door zijn ster, om te bepalen welke eigenschap van de inkomende verstrengelde fotonen moet worden gemeten. In dit geval, rode stellaire fotonen signaleerden een detector om de polarisatie van een verstrengeld foton in een bepaalde richting te meten. Een blauw stellair foton zou het apparaat instellen om de polarisatie van het verstrengelde deeltje in een andere richting te meten.

Het team voerde twee experimenten uit, waarbij elke experimentele run slechts drie minuten duurde. In ieder geval, de onderzoekers maten ongeveer 100, 000 paar verstrengelde fotonen. Ze ontdekten dat de polarisatiemetingen van de fotonparen sterk gecorreleerd waren, ruim boven de grens van Bell's ongelijkheid, op een manier die het gemakkelijkst te verklaren is door de kwantummechanica.

"We vinden antwoorden die in een enorm sterke mate consistent zijn met de kwantummechanica, en enorm in de war met een Einstein-achtige voorspelling, ' zegt Keizer.

De resultaten vertegenwoordigen verbeteringen met 16 ordes van grootte ten opzichte van eerdere pogingen om de maas in de keuzevrijheid aan te pakken.

"Alle eerdere experimenten kunnen onderhevig zijn geweest aan deze rare maas in de wet om de resultaten microseconden voor elk experiment te verklaren, versus onze 600 jaar, "zegt Kaiser. "Dus het is een verschil van een miljoenste van een seconde versus 600 jaar aan seconden - 16 orden van grootte."

"Dit experiment verschuift de laatste tijd waarop de samenzwering had kunnen beginnen, Guth voegt eraan toe. "We zeggen, om een ​​of ander gek mechanisme te simuleren
kwantummechanica in ons experiment, dat mechanisme moest 600 jaar geleden op zijn plaats zijn geweest om het experiment hier vandaag te plannen, en om fotonen met precies de juiste berichten te hebben gestuurd om uiteindelijk de resultaten van de kwantummechanica te reproduceren. Het is dus erg vergezocht."

Er is ook een tweede, even vergezochte mogelijkheid, zegt Michael Hall, een senior research fellow aan de Griffith University in Brisbane, Australië.

"Als fotonen van verre sterren de apparaten bereiken die de meetinstellingen bepalen, het is mogelijk dat deze apparaten op de een of andere manier de kleuren van de fotonen veranderen, op een manier die gecorreleerd is met de laser die de verstrengeling veroorzaakt, " zegt Halle, die niet bij het werk betrokken was. "Hiervoor zou alleen een 10 microseconden oude samenzwering tussen de apparaten en de laser nodig zijn. het idee dat fotonen hun 'ware kleuren' niet laten zien wanneer ze worden gedetecteerd, zou alle waarnemingsastronomie en elementair elektromagnetisme omverwerpen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.