Naast sterke recente demonstraties dat lichtdeeltjes uitvoeren wat Einstein 'spookachtige actie op afstand' noemde, " waarin twee gescheiden objecten een verbinding kunnen hebben die de alledaagse ervaring overstijgt, natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben bevestigd dat materiedeeltjes ook echt spookachtig kunnen werken.

Het NIST-team heeft een paar berylliumionen (geladen atomen) verstrikt in een val, waardoor hun eigenschappen worden gekoppeld, en scheidde vervolgens het paar en voerde een van een reeks mogelijke manipulaties uit op de eigenschappen van elk ion voordat ze werden gemeten. Over duizenden runs, de meetresultaten van het paar kwamen in bepaalde gevallen overeen, of in andere gevallen verschilde, vaker dan de dagelijkse ervaring zou voorspellen. Deze sterke correlaties zijn kenmerken van kwantumverstrengeling.

Bovendien, statistische berekeningen vonden dat de ionenparen een zeldzaam hoog niveau van spookachtigheid vertoonden.

"We zijn ervan overtuigd dat de ionen voor 67 procent spookachtig zijn, " zei Ting Rei Tan, hoofdauteur van een nieuwe Fysieke beoordelingsbrieven paper over de experimenten.

De experimenten waren "geketende" Bell-tests, wat betekent dat ze werden geconstrueerd uit een reeks mogelijke sets van manipulaties op twee ionen. In tegenstelling tot eerdere experimenten, dit waren verbeterde Bell-tests waarin het aantal mogelijke manipulaties voor elk ion willekeurig werd gekozen uit sets van ten minste twee en maar liefst 15 keuzes.

Deze methode levert sterkere statistische resultaten op dan conventionele Bell-tests. Dat komt omdat naarmate het aantal opties groeit om elk ion te manipuleren, neemt de kans automatisch af dat de ionen zich klassiek, of niet-kwantum, reglement. Volgens de klassieke regels, alle objecten moeten duidelijke "lokale" eigenschappen hebben en kunnen elkaar alleen beïnvloeden met de snelheid van het licht of langzamer. Bell-tests worden al lang gebruikt om aan te tonen dat door de kwantumfysica, objecten kunnen een of beide regels overtreden, spookachtige actie demonstreren.

Conventionele Bell-tests produceren gegevens die een combinatie zijn van lokale en spookachtige actie. Perfect geketende Bell-tests kunnen, in theorie, bewijzen dat er geen kans is op lokale beïnvloeding. De NIST-resultaten kwamen neer op een kans van 33 procent op lokale invloed - lager dan conventionele Bell-tests kunnen bereiken, hoewel niet de laagste ooit gerapporteerd voor een geketende test, zei Tan.

Echter, het NIST-experiment brak nieuwe wegen door twee van de drie "mazen" te dichten die de resultaten zouden kunnen ondermijnen, de enige geketende Bell-test om dit te doen met behulp van drie of meer opties voor het manipuleren van materiaaldeeltjes. De resultaten zijn goed genoeg om de hoge kwaliteit van de verstrengelde toestanden af ​​te leiden met minimale aannames over het experiment - een zeldzame prestatie, zei Tan.

Vorig jaar, een andere groep NIST-onderzoekers en medewerkers sloot alle drie de mazen in conventionele Bell-tests met lichtdeeltjes. De nieuwe ion-experimenten bevestigen opnieuw dat spookachtige actie echt is.

"Werkelijk, Ik geloofde in de kwantummechanica voor dit experiment, " zei Tan grinnikend. "Onze motivatie was dat we dit experiment probeerden te gebruiken om te laten zien hoe goed onze quantumcomputertechnologie met gevangen ionen is, en wat we ermee kunnen doen."

De onderzoekers gebruikten dezelfde opstelling van de ionenval als in eerdere quantumcomputing-experimenten. Met dit apparaat, onderzoekers gebruiken elektroden en lasers om alle basisstappen uit te voeren die nodig zijn voor quantum computing, inclusief het voorbereiden en meten van de kwantumtoestanden van ionen; het transporteren van ionen tussen meerdere valzones; en het creëren van stabiele kwantumbits (qubits), qubit-rotaties, en betrouwbare logische bewerkingen met twee qubits. Al deze functies waren nodig om de geketende Bell-tests uit te voeren. Van kwantumcomputers wordt verwacht dat ze op een dag problemen oplossen die momenteel hardnekkig zijn, zoals het simuleren van supergeleiding (de stroom van elektriciteit zonder weerstand) en het breken van de meest populaire gegevenscoderingscodes van vandaag.

In de geketende Bell-tests van NIST, het aantal instellingen (opties voor verschillende manipulaties vóór de meting) varieerde van twee tot 15. De manipulaties werkten in op de interne energietoestanden van de ionen die 'spin up' of 'spin down' worden genoemd. De onderzoekers gebruikten lasers om de spins van de ionen onder specifieke hoeken te roteren vóór de laatste metingen.

Onderzoekers voerden enkele duizenden runs uit voor elke instelling en verzamelden twee datasets met een tussenpoos van zes maanden. De metingen bepaalden de spintoestanden van de ionen. Er waren vier mogelijke eindresultaten:(1) beide ionen draaien op, (2) eerste ion spin-up en tweede ion spin-down, (3) eerste ion spin-down en tweede ion spin-up, of (4) beide ionen draaien naar beneden. Onderzoekers maten de toestanden op basis van hoeveel de ionen fluoresceerden of verstrooiden licht - helder was spin-up en donker was spin-down.

Het NIST-experiment sloot de gaten in de detectie en het geheugen, waardoor gewone klassieke systemen er anders spookachtig uit zouden kunnen zien.

De detectielus wordt geopend als detectoren inefficiënt zijn en een subset van de gegevens wordt gebruikt om de gehele dataset weer te geven. De NIST-tests hebben deze maas in de wet gedicht omdat de fluorescentiedetectie bijna 100 procent efficiënt was, en de meetresultaten van elke proef in elk experiment werden geregistreerd en gebruikt om de resultaten te berekenen.

De maas in het geheugen wordt geopend als men ervan uitgaat dat de uitkomsten van de proeven identiek zijn verdeeld of dat er geen experimentele afwijkingen zijn. Eerdere geketende Bell-tests waren gebaseerd op deze veronderstelling, maar de NIST-test kon het laten vallen. Het NIST-team sloot de lacune in het geheugen door gedurende vele uren duizenden extra proeven uit te voeren met de set van zes mogelijke instellingen, het gebruik van een willekeurig gekozen setting voor elke proef en het ontwikkelen van een robuustere statistische analysetechniek.

De NIST-experimenten hebben de maas in de buurt niet gedicht, die open is als de keuze van de instellingen tussen de ionen kan worden gecommuniceerd. Om deze maas in de wet te dichten, men zou de ionen op zo'n grote afstand van elkaar moeten scheiden dat communicatie tussen hen onmogelijk zou zijn, zelfs bij lichtsnelheid. In het NIST-experiment de ionen moesten dicht bij elkaar worden geplaatst (maximaal 340 micrometer uit elkaar) te verstrengelen en vervolgens te meten, Tan legde uit.