Vorig jaar, natuurkundigen aan het MIT, de Universiteit van Wenen, en elders sterke steun voor kwantumverstrengeling, het schijnbaar verre idee dat twee deeltjes, hoe ver van elkaar ook in ruimte en tijd, onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn, op een manier die de regels van de klassieke natuurkunde tart.

Nemen, bijvoorbeeld, twee deeltjes die aan tegenovergestelde randen van het universum zitten. Als ze echt verstrikt zijn, dan zouden volgens de theorie van de kwantummechanica hun fysieke eigenschappen op zo'n manier gerelateerd moeten zijn dat elke meting die aan het ene deeltje wordt gedaan, onmiddellijk informatie moet geven over een toekomstige meetuitkomst van het andere deeltje - correlaties die Einstein sceptisch zag als "spookachtige actie op een afstand."

In de jaren 1960, de natuurkundige John Bell berekende een theoretische limiet waarboven dergelijke correlaties een kwantum moeten hebben, in plaats van een klassieke, uitleg.

Maar wat als zulke correlaties niet het resultaat waren van kwantumverstrengeling, maar van een andere verborgen, klassieke uitleg? Zulke "wat-als" staan ​​bij natuurkundigen bekend als mazen in het testen van Bell's ongelijkheid, de meest hardnekkige daarvan is de maas in de "vrijheid van keuze":de mogelijkheid dat sommigen verborgen, klassieke variabele kan de meting beïnvloeden die een experimentator kiest om uit te voeren op een verstrengeld deeltje, waardoor de uitkomst er kwantumgecorreleerd uitziet, terwijl dat in feite niet het geval is.

afgelopen februari, het MIT-team en hun collega's hebben de maas in de keuzevrijheid aanzienlijk beperkt, door 600 jaar oud sterlicht te gebruiken om te beslissen welke eigenschappen van twee verstrengelde fotonen moeten worden gemeten. Hun experiment bewees dat, als een klassiek mechanisme de correlaties veroorzaakte die ze waarnamen, het zou meer dan 600 jaar geleden in gang moeten zijn gezet, voordat het licht van de sterren voor het eerst werd uitgezonden en lang voordat het eigenlijke experiment zelfs maar werd bedacht.

Nutsvoorzieningen, in een krant die vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , hetzelfde team heeft de argumenten voor kwantumverstrengeling enorm uitgebreid en de opties voor de maas in de vrijheid van keuze verder beperkt. De onderzoekers gebruikten verre quasars, waarvan één 7,8 miljard jaar geleden zijn licht uitstraalde en de andere 12,2 miljard jaar geleden, om de metingen te bepalen die moeten worden gedaan aan paren verstrengelde fotonen. Ze vonden correlaties tussen meer dan 30, 000 paar fotonen, in een mate die de limiet die Bell oorspronkelijk had berekend voor een klassiek gebaseerd mechanisme ver overschreed.

"Als er een samenzwering plaatsvindt om de kwantummechanica te simuleren door een mechanisme dat eigenlijk klassiek is, dat mechanisme had zijn werking moeten beginnen - op de een of andere manier precies weten wanneer, waar, en hoe dit experiment zou worden uitgevoerd - minstens 7,8 miljard jaar geleden. Dat lijkt ongelooflijk onwaarschijnlijk, dus we hebben zeer sterk bewijs dat kwantummechanica de juiste verklaring is, " zegt co-auteur Alan Guth, de Victor F. Weisskopf hoogleraar natuurkunde aan het MIT.

"De aarde is ongeveer 4,5 miljard jaar oud, dus elk alternatief mechanisme - anders dan de kwantummechanica - dat onze resultaten zou kunnen hebben opgeleverd door gebruik te maken van deze maas in de wet, zou er al moeten zijn lang voordat er zelfs maar een planeet aarde was, laat staan ​​een MIT, " voegt David Kaiser toe, de Germeshausen Professor of the History of Science en professor in de natuurkunde aan het MIT. "Dus we hebben alle alternatieve verklaringen teruggedrongen tot heel vroeg in de kosmische geschiedenis."

Tot de co-auteurs van Guth en Kaiser behoren Anton Zeilinger en leden van zijn groep aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Wenen, evenals natuurkundigen aan het Harvey Mudd College en de Universiteit van Californië in San Diego.

Een beslissing, miljarden jaren geleden gemaakt

In 2014, Kaiser en twee leden van het huidige team, Jason Gallicchio en Andrew Friedman, stelde een experiment voor om verstrengelde fotonen op aarde te produceren - een proces dat vrij standaard is in studies van kwantummechanica. Ze waren van plan om elk lid van het verstrengelde paar in tegengestelde richtingen neer te schieten, naar lichtdetectoren die ook een meting van elk foton zouden doen met behulp van een polarisator. Onderzoekers zouden de polarisatie meten, of oriëntatie, van het elektrische veld van elk inkomend foton, door de polarisator onder verschillende hoeken te plaatsen en te observeren of de fotonen er doorheen gingen - een uitkomst voor elk foton dat onderzoekers konden vergelijken om te bepalen of de deeltjes de kenmerkende correlaties vertoonden die door de kwantummechanica waren voorspeld.

Het team voegde een unieke stap toe aan het voorgestelde experiment, die licht uit de oudheid zou gebruiken, verre astronomische bronnen, zoals sterren en quasars, om de hoek te bepalen waaronder elke respectieve polarisator moet worden ingesteld. Terwijl elk verstrengeld foton in vlucht was, met de snelheid van het licht op zijn detector af, onderzoekers zouden een telescoop op elke detectorlocatie gebruiken om de golflengte van het inkomende licht van een quasar te meten. Als dat licht roder was dan een referentiegolflengte, de polarisator zou onder een bepaalde hoek kantelen om een ​​specifieke meting van het binnenkomende verstrengelde foton te maken - een meetkeuze die werd bepaald door de quasar. Als het licht van de quasar blauwer was dan de referentiegolflengte, de polarisator zou onder een andere hoek kantelen, het uitvoeren van een andere meting van het verstrengelde foton.

In hun vorige experiment, het team gebruikte kleine telescopen in de achtertuin om het licht van sterren te meten tot op 600 lichtjaar afstand. In hun nieuwe studie de onderzoekers gebruikten veel grotere, krachtigere telescopen om het invallende licht van nog oudere, verre astrofysische bronnen:quasars waarvan het licht al minstens 7,8 miljard jaar naar de aarde reist - objecten die ongelooflijk ver weg zijn en toch zo helder zijn dat hun licht vanaf de aarde kan worden waargenomen.

Lastige timing

Op 11 januari 2018, "de klok had net na middernacht lokale tijd getikt, " zoals Kaiser zich herinnert, toen ongeveer een dozijn leden van het team zich verzamelden op een bergtop op de Canarische Eilanden en gegevens begonnen te verzamelen van twee grote, 4 meter brede telescopen:de William Herschel Telescope en de Telescopio Nazionale Galileo, beide gelegen op dezelfde berg en ongeveer een kilometer van elkaar gescheiden.

Eén telescoop richtte zich op een bepaalde quasar, terwijl de andere telescoop naar een andere quasar keek in een ander deel van de nachtelijke hemel. In de tussentijd, onderzoekers op een station tussen de twee telescopen creëerden paren verstrengelde fotonen en straalden deeltjes van elk paar in tegengestelde richtingen naar elke telescoop.

In de fractie van een seconde voordat elk verstrengeld foton zijn detector bereikte, de instrumentatie bepaalde of een enkel foton dat uit de quasar kwam meer rood of blauw was, een meting die vervolgens automatisch de hoek van een polarisator aanpaste die uiteindelijk het binnenkomende verstrengelde foton ontving en detecteerde.

"De timing is erg lastig, Kaiser zegt. "Alles moet gebeuren binnen zeer krappe ramen, update elke microseconde of zo."

Een luchtspiegeling demystificeren

De onderzoekers voerden hun experiment twee keer uit, elk ongeveer 15 minuten en met twee verschillende paren quasars. Voor elke loop ze maten 17, 663 en 12, 420 paar verstrengelde fotonen, respectievelijk. Binnen enkele uren na het sluiten van de telescoopkoepels en het bekijken van voorlopige gegevens, het team kon zien dat er sterke correlaties waren tussen de fotonparen, voorbij de limiet die Bell berekende, wat aangeeft dat de fotonen op een kwantummechanische manier gecorreleerd waren.

Guth leidde een meer gedetailleerde analyse om de kans te berekenen, hoe klein ook, dat een klassiek mechanisme mogelijk de correlaties heeft veroorzaakt die het team heeft waargenomen.

Hij berekende dat voor de beste van de twee runs, de kans dat een mechanisme gebaseerd op klassieke fysica de waargenomen correlatie had kunnen bereiken was ongeveer 10 tot min 20 - dat wil zeggen, ongeveer een deel op honderd miljard miljard, "schandalig klein, " zegt Guth. Ter vergelijking, onderzoekers schatten de kans dat de ontdekking van het Higgs-deeltje slechts een toevalstreffer was op ongeveer één op een miljard.

"We hebben het zeker ongelooflijk onwaarschijnlijk gemaakt dat een lokale realistische theorie ten grondslag zou kunnen liggen aan de fysica van het universum, ' zegt Gut.

En toch, er is nog een kleine opening voor de maas in de keuzevrijheid. Om het nog verder te beperken, het team heeft ideeën om nog verder terug in de tijd te kijken, bronnen te gebruiken zoals kosmische microgolfachtergrondfotonen die onmiddellijk na de oerknal als overgebleven straling werden uitgezonden, hoewel dergelijke experimenten een groot aantal nieuwe technische uitdagingen met zich mee zouden brengen.

"Het is leuk om na te denken over nieuwe soorten experimenten die we in de toekomst kunnen ontwerpen, maar voor nu, we zijn erg blij dat we deze specifieke maas in de wet zo dramatisch hebben kunnen dichten. Ons experiment met quasars legt extreem strenge beperkingen op aan verschillende alternatieven voor de kwantummechanica. Hoe vreemd de kwantummechanica ook mag lijken, het blijft overeenkomen met elke experimentele test die we kunnen bedenken, ' zegt Keizer.

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.