Een groep onderzoekers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau heeft nieuw licht geworpen op de beroemde paradox van Einstein, Podolsky en Rosen na 80 jaar. Ze creëerden een multidimensionale verstrengelde staat van een enkel foton en een biljoen hete rubidium-atomen, en bewaarde deze hybride verstrengeling enkele microseconden in het laboratorium. Het onderzoek is gepubliceerd in optiek .

In hun beroemde Fysieke beoordeling artikel, gepubliceerd in 1935, Einstein, Podolsky en Rosen beschouwden het verval van een deeltje in twee producten. In hun gedachte-experiment twee producten van verval werden in precies tegenovergestelde richtingen geprojecteerd - of meer wetenschappelijk gesproken, hun momenta waren anti-gecorreleerd. Hoewel het geen mysterie is in het kader van de klassieke natuurkunde, bij het toepassen van de regels van de kwantumtheorie, de drie onderzoekers kwamen tot een paradox. Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dicteren dat positie en momentum van een deeltje niet tegelijkertijd kunnen worden gemeten, ligt in het centrum van deze paradox. In het gedachte-experiment van Einstein het is mogelijk om het momentum van het ene deeltje te meten en onmiddellijk het momentum van het andere deeltje te kennen zonder te meten, aangezien het precies het tegenovergestelde is. Vervolgens, door de positie van het tweede deeltje te meten, het onzekerheidsprincipe van Heisenberg lijkt te worden geschonden, een schijnbare paradox die de drie natuurkundigen ernstig in de war bracht.

We weten nu dat dit experiment niet, in feite, een paradox. De fout van Einstein en collega's was het toepassen van onzekerheid van één deeltje op een systeem van twee deeltjes. Als we deze twee deeltjes behandelen zoals beschreven door een enkele kwantumtoestand, we leren dat het oorspronkelijke onzekerheidsprincipe niet langer van toepassing is, vooral als deze deeltjes verstrengeld zijn.

In het Quantum Memory Laboratory van de Universiteit van Warschau, de groep van drie natuurkundigen was de eerste die zo'n verstrengelde toestand creëerde, die bestond uit een macroscopisch object - een groep van ongeveer een biljoen atomen, en een enkel foton. "Enkele fotonen, verstrooid tijdens de interactie van een laserstraal met atomen, worden geregistreerd op een gevoelige camera. Een enkel geregistreerd foton bevat informatie over de kwantumtoestand van de hele groep atomen. De atomen kunnen worden opgeslagen, en hun status kan op verzoek worden opgevraagd, " zegt Michal Dabrowski, doctoraat student en co-auteur van het artikel.

De resultaten van het experiment bevestigen dat de atomen en het enkele foton zich in een gezamenlijke verstrengelde toestand bevinden. Door de positie en het momentum van het foton te meten, de onderzoekers verzamelden alle informatie over de toestand van atomen. Om dit te bevestigen, Poolse wetenschappers hebben de atomaire toestand omgezet in een ander foton, die werd gemeten met dezelfde ultramoderne camera.

"We hebben de schijnbare paradox van Einstein-Podolsky-Rosen aangetoond in een zeer vergelijkbare versie zoals oorspronkelijk voorgesteld in 1935, maar we hebben het experiment uitgebreid door opslag van licht toe te voegen binnen de grote groep atomen. Atomen slaan het foton op in de vorm van een golf gemaakt van atomaire spins die een biljoen atomen bevatten. Zo'n toestand is zeer robuust tegen verlies van een enkel atoom, omdat informatie over zoveel deeltjes is verspreid, " zegt Michal Parniak, doctoraat student die deelneemt aan het onderzoek.

Het experiment is op een andere manier uniek, ook. Het kwantumgeheugen dat de verstrengelde toestand opslaat, maakt opslag van maximaal 12 fotonen tegelijk mogelijk. Deze verhoogde capaciteit is veelbelovend voor toepassingen in de verwerking van kwantuminformatie. "De multidimensionale verstrengeling wordt enkele microseconden in ons apparaat opgeslagen, die ongeveer duizend keer langer is dan in alle eerdere experimenten, en op hetzelfde moment, lang genoeg om subtiele kwantumbewerkingen uit te voeren op de atomaire toestand tijdens opslag, " legt Dr. Wojciech Wasilewski uit, groepsleider van het Quantum Memories Laboratory-team.

De verstrengeling in de reële en momentumruimte, beschreven in de optiek artikel, kan samen met andere bekende vrijheidsgraden zoals polarisatie, waardoor het ontstaan ​​van zogenaamde hyperverstrengeling mogelijk wordt. Dergelijke ideeën vormen een nieuwe en originele test van de fundamenten van de kwantummechanica, een theorie die onophoudelijk mysterieus is, biedt toch een enorme technologische vooruitgang.