(Phys.org)—Natuurkundigen hebben enkele van de sterkste bewijzen tot nu toe gerapporteerd dat de kwantumwereld het lokale realisme niet gehoorzaamt door nieuw bewijs te demonstreren voor het bestaan ​​van kwantumverstrengeling. Door een in wezen maasvrije Bell-test uit te voeren, ze hebben aangetoond dat twee atomen, gescheiden door een afstand van een kwart mijl, correlaties delen die onmogelijk zouden moeten zijn onder de hypothese van lokaal realisme, en worden hoogstwaarschijnlijk verklaard door kwantumverstrengeling.

De nieuwe Bell-test werd uitgevoerd door een groep onderzoekers onder leiding van Harald Weinfurter aan de Ludwig Maximilian Universiteit van München en het Max Planck Institute for Quantum Optics, beide in Duitsland.

De kans dat de waargenomen correlaties kunnen worden verklaard door lokaal realisme vanwege een aantal onbekende "verborgen variabelen" in plaats van verstrengeling is minder dan één op een miljard, schrijven de natuurkundigen in hun paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Door rekening te houden met al hun verzamelde gegevens, genomen in de loop van zeven maanden, dat de kans nog verder daalt, tot ongeveer één op de tien biljard (het getal 1 gevolgd door 16 nullen). Dit betekent dat de kwantumwereld ofwel lokaliteit schendt (dat verre objecten elkaar niet in minder dan een bepaalde tijd kunnen beïnvloeden) of realisme (dat objecten bestaan, of iemand ze nu wel of niet meet), of mogelijk beide.

Three Bell-tests

De hier gerapporteerde test is de nieuwste maasvrije Bell-test:een die tegelijkertijd de twee grootste mazen dicht, de locale maas in de wet en de opsporingslacune. Het dichten van beide mazen is essentieel om alternatieve verklaringen uit te sluiten, zoals de mogelijkheid dat twee verstrengelde objecten in het geheim informatie delen (lokale maas in de wet) of dat de deeltjes die worden gedetecteerd niet representatief zijn voor het hele monster, maar eerder een speciale subset vormen die de gegevens scheef trekt (detectie-maas).

De eerste maasvrije Bell-test, gerapporteerd in 2015 door een team onder leiding van Ronald Hanson van de Universiteit van Delft, toonde verstrengeling aan tussen de elektronenspins van stikstof-vacature (NV) centra in diamant. Kort daarna, andere maasvrije Bell-tests meldden verstrengeling tussen fotonen. De hier gerapporteerde Bell-test toont verstrengeling aan tussen een derde type systeem:de spintoestanden van atomen.

"Naar mijn mening, de grootste betekenis van dit werk is de definitieve uitsluiting van lokaal realisme, " co-auteur Wenjamin Rosenfeld, aan de Ludwig Maximilian Universiteit van München en het Max Planck Instituut voor Quantum Optics, vertelde Phys.org . "Het is goed dat soortgelijke experimenten zijn uitgevoerd met verschillende systemen (fotonen, NV-centra) in wezen tegelijkertijd, zodat alle resultaten samen als echt overtuigend kunnen worden beschouwd. Nu is het niet meer een kwestie van geloven of de natuur wel of niet lokaal-realistisch kan worden beschreven, maar een feit. (Echter, het keuzevrijheidsprobleem moet nog worden opgelost.)"

Experimentele opstelling

Het nieuwe experiment omvatte het vangen van één rubidiumatoom in de kelder van het natuurkundegebouw aan de Ludwig Maximilian Universiteit van München en het vangen van een tweede rubidiumatoom in de kelder van het economische gebouw, ongeveer 400 meter afstand. Een optische vezel verbond de twee meetplaatsen met elkaar.

In hun testen, de wetenschappers prikkelden de atomen, waardoor ze op precies gedefinieerde tijdstippen fotonen uitzenden. De fotonen reisden vervolgens door de optische vezel en interfereerden met elkaar. Deze kwantuminterferentie, in theorie, zorgt ervoor dat de atomen verstrengeld raken. Om deze verstrengeling op te sporen, de onderzoekers deden metingen aan de fotonen, de metingen keer op keer herhalen voor tienduizenden fotonparen. De resultaten toonden overweldigend aan dat de verre fotonparen inderdaad verstrengeld waren.

Laatste maas in de wet

Een van de laatst overgebleven mogelijke mazen in de meeste Bell-tests betreft de keuze van de meting aan de atomen. Aangezien deze metingen op meerdere manieren kunnen worden uitgevoerd, het is belangrijk om te bevestigen dat de onderzoeker vrij is om te kiezen welke specifieke meting hij doet, en dat verborgen variabelen de keuze van de meting niet beïnvloeden en de atomen op de een of andere manier in staat stellen hun eigenschappen te synchroniseren. Deze mogelijkheid wordt de maas in de vrije wil of keuzevrijheid genoemd.

Om te proberen deze maas in de wet te dichten, de onderzoekers gebruikten een snelle quantumgenerator voor willekeurige getallen die meetinstellingen kiest die echt willekeurig zijn - bijna. Het probleem is dat er een zeer kleine kans is dat de generatoren van willekeurige getallen met elkaar of met de rest van het experiment hebben gecommuniceerd voordat het experiment begon. Hierdoor kunnen de atomen de willekeurige getallen kennen, en bijgevolg de uit te voeren metingen, vooraf, waardoor ze hun eigenschappen kunnen synchroniseren.

De natuurkundigen leggen uit dat de enige manier om deze maas in de wet volledig te sluiten, is door een buitenaardse generator voor willekeurige getallen te gebruiken. zoals de inherent willekeurige fotonenemissie van sterren op miljoenen lichtjaren afstand. De enorme afstand tussen de sterren en een experiment op aarde zou het praktisch onmogelijk maken voor geheime communicatie. omdat het zou betekenen dat een dergelijke communicatie had moeten plaatsvinden voordat het licht de sterren verliet, miljoenen jaren geleden. Hiervoor ontwikkelen verschillende natuurkundige laboratoria momenteel buitenaardse generatoren voor willekeurige getallen.

Veilige communicatie

Aangezien kwantumverstrengeling waarschijnlijk een belangrijke hulpbron zal zijn in toekomstige veilige kwantumtechnologieën, het dichten van deze mazen helpt de veiligheid van toekomstige applicaties op het meest fundamentele niveau te vergroten. De onderzoekers verwachten dat de methoden die in dit onderzoek worden gebruikt ook zullen bijdragen aan nieuwe ontwikkelingen in kwantuminformatiesystemen en kwantumrepeaternetwerken, die worden gebruikt voor het communiceren van kwantuminformatie over lange afstanden. Ze zijn van plan om deze toepassing in de toekomst verder te onderzoeken.

"Afgezien van verdere fundamentele vragen over de problematiek van de keuzevrijheid, hier kan veel aan gewerkt worden, " zei Rosenfeld. "Aan de ene kant kan men proberen het systeem verder te duwen (vooral de betrouwbaarheid van de verstrengelde toestand) om zogenaamde 'apparaatonafhankelijke' protocollen uit te voeren. Hiermee zou een veilige cryptografische sleutel kunnen worden verkregen, zelfs van apparaten die mogelijk niet worden vertrouwd (geleverd door een derde partij). Hier, De ongelijkheid van Bell biedt de mogelijkheid om te testen, of de apparaten op de een of andere manier van tevoren waren voorbereid om een ​​sleutel te produceren die bekend is bij een tegenstander. Bovendien, de technieken voor het genereren van verstrengeling tussen verre objecten zijn belangrijk voor kwantumnetwerken die veilige communicatie over lange afstanden mogelijk maken."

© 2017 Fys.org